Science, 15 Jan 93, Vol. 259, pg. 350 - Luke Dones - Lo spin della terra e dei pianeti è stato determinato dal momento angolare medio del materiale di accrescimento inclusi quelli di impatto piccoli e grandi. Essendo questi ultimi casuali le obliquità acquistate dall’asse possono essere molto variabili.
Science, 10 Sep 93, Vol. 261, pg, 1391 - Richard A. Kerr - Oltre che per la loro rarità i diamanti sono ricercati per le impurità che contengono. Infatti, prodotti a profondità di più di 180 km e portati alla superficie da eruzioni vulcaniche, possono avere incluse tracce dei materiali delle zone di origine. Alcuni diamanti brasiliani hanno mostrato tracce di minerali che possono provenire dal mantello inferiore della terra, una regione a più di 660 km di profondità. Ciò dimostra che da questa profondità c’è ancora possibilità di acquisite campioni diretti e dimostra che esistono moti convettivi fra parte bassa e parte alta del mantello spesso 2900 km. Le inclusioni sono state analizzate con uno spettrometro di massa e la loro composizione può essersi formata solo a profondità corrispondenti al mantello inferiore.
Science, 10 Sep 93, Vol. 261, pg, 1401 - J. E. Vidale - La terra ha un potente motore termico prodotto dal calore derivato dall’energia gravitazionale e dal decadimento degli isotopi radioattivi. I movimenti di convezione provocano il sollevamento di zone calde e la discesa di materia fredda. Il moto è dell’ordine di alcuni centimetri per anno e la differenza di temperatura fra le zone ascendenti e discendenti è di poche centinaia di kelvin. I sismologi possono generare delle immagini tridimensionali dell’interno della terra mediante tomografia sismica. Lo spessore del mantello analizzato va da 0 a 2700 km di profondità. Il movimento ascendente arriva fino a 660 km e quindi scende in modo catastrofico. I 660 km corrispondono alla regione di transizione fra la zona superiore ed inferiore del mantello.
Science, 15 Oct 93, Vol. 262, pg. 370 - Eiji Ito - La struttura all’interno della terra viene conosciuta dall’analisi delle onde sismiche. La parte solida della terra (6370 km di raggio) può essere divisa in strati concentrici determinati dalle diverse velocità di propagazione delle onde sismiche in profondità. La divisione più profonda si ha fra il mantello di roccia ed il nucleo metallico a 2890 km. Il mantello si suddivide in tre zone: mantello superiore, zona di transizione e mantello inferiore per due aumenti nella velocità che si verificano alle profondità di 400 e 600 km. Il nucleo con un raggio di 1220 km è di metallo solido. La maggior parte del nucleo si è formata nei primi stadi della vita della Terra, nei primi 100 - 500 milioni di anni della sua storia totale di 4.5 miliardi di anni.
Science, 17 Mar 95, Vol. 267, pg. 1597 - Richard A. Kerr - Temperatura e pressione all’interno del nucleo di ferro della Terra sono importanti per modellare i meccanismi del magnetismo terrestre e dei moti convettivi all’interno della Terra. Esperimenti sono stati condotti per riprodurre in laboratorio il punto di fusione del ferro sottoposto alle elevate pressioni del nucleo terrestre. Nell’esperimento un campione di ferro veniva compresso fra due diamanti mentre un laser lo riscaldava a 4000 K. Si sono raggiunte pressioni fino a 200 - 300 GPa sparando sul campione un proiettile piatto con un cannone ad aria compressa ad una velocità di 7 Km/s. I risultati hanno dato però valori contrastanti per i punti di fusione in funzione della pressione.
Science, 1 Sep 95, Vol. 269, pg. 1215 - Richard A. Kerr - Il meccanismo della tettonica a placche da luogo alla formazione delle più grandi montagne della terra nella collisione fra continenti: l’Europa con l’Africa ha prodotto le Alpi, l’India con l’Asia ha prodotto la catena Himalaiana. È invece strana la formazione della catena delle Ande in Sud America perché qui si ha solo la subduzione della placca pacifica sotto il continente e generalmente questo provoca solo la formazione di una catena di vulcani. In realtà il continente sudamericano si sposta verso ovest e la collisione si verifica con il mantello viscoso centinaia di km sotto il fondo dell’oceano Pacifico. La placca discendente arretra di fronte al continente che avanza verso ovest e si sposta ad arco come l’onda davanti ad una nave che avanza. Questo si nota nelle piccole placche che si spostano verso est a sud di Capo Horn e sui Caraibi. Il moto verso ovest del Sud America avviene con una velocità di circa 3,5 cm/anno. Una simulazione al computer si è basata sul modello di un continente triangolare con il lato lungo che collide con il mantello e la placca in subduzione in mezzo. Il modello ha mostrato che in 20 milioni di anni si formano le montagne sul bordo del continente. Un fenomeno simile avviene anche nel Nord America per la catena delle Montagne Rocciose.
Science, 23 Feb 96, Vol. 271, pg. 1053 - Richard A. Kerr - Il mantello della Terra, che costituisce la parte fra le placche tettoniche ed il nucleo di ferro a 2900 km di profondità, ha una viscosità sufficiente a permettere movimenti convettivi. Questa viscosità si mantiene approssimativamente costante con la profondità perché l’aumento di temperatura compensa l’effetto di rigidità provocato dalla pressione. Secondo un modello basato sulle misure di gravità e sulle immagini sismiche, la parte più profonda del mantello, pur essendo raggiunta dalle placche tettoniche discendenti, mantiene dei grossi blocchi rimasti segregati da 0,5 a 2 miliardi di anni come bolle profonde. Sono stati creati diversi modelli della Terra per studiarne l’evoluzione al calcolatore e questi si basano o su una viscosità costante con la profondità o con una viscosità crescente con un rapporto massimo da 2 a 4.
Science, 1 Mar 96, Vol. 271, pg. 1257 - Jeannot Trampert - La tomografia sismica della Terra è stata usata per creare dei modelli tridimensionali della struttura interna terrestre descrivendola con un insieme di funzioni, in teoria infinito, ma che viene troncato ad un certo livello. Le approssimazioni fatte lasciano però molte discrepanze con i dati sismici in particolare al centro dell’Atlantico e nel sud dell’Africa.
Science, 15 Mar 96, Vol. 271, pg. 1566 - Sri Widiyantoro - La placca Eurasiatica nella zona occupata dalle isole della Sonda e dalle Filippine è in collisione con la placca Indo-Australiana da sud che è penetrata in subduzione ad una profondità di almeno 1500 km come rivelato dalle tomografie sismiche. Dal Cretaceo parecchie migliaia di km di fondo oceanico della placca Indo-Australiana sono sparite in questa subduzione. Da est poi la placca del Mare filippino è in collisione con l’arcipelago filippino. Queste linee di collisione, che sono zone di intensa sismicità, sono state studiate a fondo sulla base dei dati sismici dell’International Seismological Center creando un modello complesso.
Science, 29 Mar 96, Vol. 271, pg. 1811 - Richard A. Kerr - Recentemente un gruppo di mineralogisti ha trovato prove che alcune rocce delle Alpi Svizzere del massiccio Arami hanno avuto origine da una profondità di più di 400 km all’interno del mantello terrestre. Le Alpi si sono formate 50 milioni di anni fa per collisione fra le placche ed un’origine così profonda di questa massa di rocce, circa 800 x 500 m, è difficile da spiegare. Le rocce contengono microscopiche barrette di ossidi di ferro-titanio dette ilmenite che si formano al di sotto di 100 km, ma contengono nelle olivine molto più titanio di quanto ne possano contenere a questa profondità. Solo a 400 km di profondità la pressione trasforma l’olivina in un minerale, la wadsleyite, che può contenere tanto titanio.
Science, 26 Jul 96, Vol. 273, pg. 428 - Richard A. Kerr - Un team di sismologi della Columbia University ha messo in evidenza che il nucleo della Terra ruota più veloce del resto del pianeta e nelle ultime tre decadi ha guadagnato circa 1/10 di giro. La valutazione è basata sul fatto che il nucleo di ferro della Terra ha una struttura a grani orientati anisotropa per cui le onde sismiche che si propagano nella direzione secondo l’asse terrestre hanno una velocità più alta che nella direzione trasversale. Poiché poi questo asse di anisotropia non è allineato con l’asse di rotazione terrestre, se il nucleo ruota con velocità diversa da quella della Terra, l’orientamento dell’anisotropia cambia con il tempo e, paragonando il tempo di transito delle onde sismiche che attraversano il nucleo in tempi diversi, si è potuta misurare questa rotazione.
Science, 13 Dec 96, Vol. 274, pg. 1887 - Gary A. Glatzmaier - Il meccanismo di geodinamo che nel nucleo terrestre genera il campo magnetico è stato simulato con un modello tridimensionale assumendo i parametri propri della Terra, cioè massa, dimensioni, velocità di rotazione, flusso di calore dal nucleo e caratteristiche realistiche del materiale del nucleo esterno. Nel modello il nucleo interno è libero di ruotare intorno all’asse geografico per effetto della coppia magnetica impressa dal nucleo esterno ed infatti ruota verso est rispetto al mantello con una velocità angolare di 2° - 3° per anno. Il modello ha permesso di tracciare le linee di forza del campo all’interno ed all’esterno del nucleo e riprodurre l’andamento della velocità di rotazione del nucleo rispetto al mantello in un intervallo di 15000 anni; la massima intensità del campo magnetico è di 30 millitesla.
Science, 5 Sep 97, Vol. 277, pg. 1435 - Alexander Hellemans - Le maree, i moti atmosferici ed il moto dello stesso nucleo della Terra provocano una fluttuazione della sua velocità di rotazione di pochi millisecondi al giorno. Queste fluttuazioni sono importanti anche per apportare correzioni nella determinazione della posizione mediante i segnali del GPS. Ora in Nuova Zelanda si sta costruendo il più grande e stabile giroscopio laser del mondo. Il dispositivo è costituito da un blocco di quadrato di vetro di 1,2 m di lato con quattro canali da 1 m praticati sui lati a costituire un circuito chiuso mediante degli specchi riflettenti. All’interno un gas costituito da elio-neon, eccitato mediante onde radio, genera due raggi laser che circolano in senso opposto interferendo e producendo un sistema stazionario di parecchi milioni di nodi e valli che sono fissi nello spazio, ma se il supporto ruota essi si vedono ruotare. La rotazione della Terra causa il passaggio di 79 di questi nodi ogni secondo rispetto ad un riferimento. Per misurare le variazioni del moto della Terra basta misurare il movimento dei nodi con la precisione di una parte su 10 milioni. L’effetto delle maree lunari potrebbe essere rivelato con una precisione di 4 parti si 100 milioni che è al limite. Lo strumento viene installato all’interno di una cava a 30 m di profondità dove la temperatura è stabile entro pochi centesimi di grado centigrado inoltre la lunghezza del percorso interno viene mantenuta costante mediante un sistema di ottica adattiva sugli specchi riflettenti mantenendo costante la frequenza. Il dispositivo rivela anche le componenti rotazionali indotti dai vicini terremoti. Se il sistema non dovesse raggiungere una sensibilità sufficiente si sta già pensando di realizzarne un secondo di 4 m di lato intorno al 2002.
Science, 28 Nov 97, Vol. 278, pg. 1576 - Dieter Stöffler - La conoscenza della struttura dei materiali che costituiscono il mantello e la crosta terrestre è importante per comprendere il processo di formazione e quindi il comportamento della tettonica a placche e del vulcanismo. Un aiuto viene dallo studio dei meteoriti della classe dei condriti, il primitivo materiale del sistema solare formato da olivine e pirosseni con cui si è formata la terra. I sismologi hanno verificato che la velocità delle onde sismiche aumenta in modo discontinuo a 400 e 660 km di profondità. Gli studi dei minerali di olivina e pirosseni sottoposti ad alte pressioni hanno poi mostrato che si verificano delle transizioni di fase in cui la struttura tetraedra di SiO4 viene sostituita da una struttura ottaedra SiO6 formando strutture polimorfe. A 400 km di profondità, passando dal mantello superiore alla zona di transizione con 13,5 GPa di pressione, si formano spinelli e garnet; a 660 km di profondità si passa al mantello inferiore con 23 GPa di pressione, si formano perovskite e ilmenite. Le meteoriti che hanno subito collisioni nello spazio mostrano sulle loro superfici strutture metamorfiche dovute alle pressioni di impatto dando informazioni sulla loro storia e sulla cinetica di cristallizzazione.
Science, 5 Dec 97, Vol. 278, pg. 1727 - B. J. Wood - Il nucleo terrestre costituisce il 32% della massa planetaria, ma si sa poco di come si sia formato. Dai dati sismologici si sa che la densità del nucleo aumenta da 10000kg/mc fino a 13000 kg/mc dalla periferia al centro e la pressione da 136 a 364 GPa. Si è pensato che la composizione del nucleo fosse di ferro liquido con alcune percentuali di nickel, ma la densità del nucleo è circa 10% più bassa di quella del ferro può o della lega ferro-nickel e quindi anche elementi leggeri, come H, C, O, S o Si, dovrebbero far parte della composizione, inoltre questi componenti devono essere solubili nel ferro in alta pressione. L’ultima teoria è che l’idrogeno si sia disciolto nel nucleo primitivo creando un composto del tipo FeHx stabile a pressioni oltre i 3 Gpa.
Science, 6 Feb 98, Vol. 279, pg. 806 - Richard A. Kerr - Lo studio delle onde sismiche al di sotto dell’Islanda ha prodotto delle immagini tomografiche che mostrano come esista una colonna di rocce più calde di circa 200 gradi rispetto a quelle circostanti che si estende sotto l’Islanda fino a 400 km di profondità. Colonne simili alimentano vulcani di lunga vita come le Hawaii e le Galapagos e si è dibattuto se queste colonne arrivano fino al mantello, 2900 km sotto la superficie. Nel caso dell’Islanda la ricombinazione delle onde sismiche provenienti da profondità maggiori di 400 km è molto difficile ed i risultati non completamente convincenti, ma alcuni ritengono che ci siano buone indicazione che queste rocce calde abbiano origine nel mantello.
Science, 24 Apr 98, Vol. 280, pg. 524 - Robert F. Service - Secondo i libri di geologia i depositi di gas naturali si formano vicino a punti caldi dove le lunghe catene degli idrocarburi del petrolio si spezzano producendo i gas come metano, etano, propano e butano. Negli anni recenti però è stata avanzata una diversa teoria alla Rice University di Houston secondo la quale le catene del petrolio vengono spezzate non dal calore, ma dall’azione catalitica di metalli attivi presenti nelle rocce. Le prove sono portate dagli esperimenti di laboratorio che mostrano come l’azione catalitica produce i gas nella stessa proporzione in cui si trovano nei depositi naturali mentre le proporzioni sono diverse se la decomposizione avviene sotto l’effetto del calore. I metalli che hanno questa azione catalitica sono il nickel ed il vanadio. Tuttavia in qualche caso sembra che il meccanismo pirolitico sia predominante come dimostra la composizione dei gas in un deposito naturale del South Dakota.
Science, 19 Mar 99, Vol. 283, pg. 1826 - Richard A. Kerr - Nonostante i progressi delle immagini tomografiche e della modellizzazione dell’interno della terra il moto convettivo delle masse nel mantello terrestre rimane ancora enigmatico. Per molto tempo gli studiosi hanno ritenuto che il mantello fosse diviso in due parti che non si mescolavano mai, un mantello superiore fino a 660 km ed un mantello inferiore fino a 2900 km dove inizia il nucleo. Ora i sismologi ritengono che queste due parti abbiano una configurazione irregolare salendo e scendendo in profondità pur senza mescolarsi infatti fra 1400 e 1700 km la velocità delle onde sismiche varia da punto a punto ed anche la composizione del mantello cambia con la profondità. Il mantello inferiore presenta inoltre dei pennacchi che si sollevano all’interno del mantello superiore mentre la subduzione della crosta scende fino a profondità di oltre 1700 m.
Science, 22 Dec 2000, Vol. 290, pg. 2239 - Richard A. Kerr - Un frammento di silicato di zirconio dalle dimensioni di un quarto di millimetro, trovato nell’Australia occidentale, è risultato essere dalle analisi il pezzo più antico della Terra. Il campione si è formato nella crosta continentale terrestre 4,4 miliardi di anni fa, solo 100 milioni di anni dopo la formazione della Terra. La composizione isotopica del frammento mostra inoltre che intorno si trovava dell’acqua, forse un oceano, dopo la sua solidificazione. Il più antico campione di zirconio conosciuto era di 4,2 miliardi di anni e la nuova scoperta spinge sempre più indietro nel tempo la formazione dei primi continenti ed oceani. I più antichi graniti sono datati 4,0 miliardi di anni. L’analisi ha mostrato che il campione è ricco di ossigeno 18 ed il solo modo con cui si è potuto arricchire di ossigeno è un'interazione con acqua a bassa temperatura.
Science, 4 May 2001, Vol. 292, pg. 841 - Richard A. Kerr - Nella rivista Nature di questa settimana due geofisici, processando l’immagine dell’interno del mantello della Terra ottenuta con le onde sismiche, hanno mostrato come due enormi masse di roccia calda viscosa a più bassa densità si trovano su due lati opposti del globo, tra 1000 e 2000 km di profondità, una sotto l’Africa ed una sotto il Pacifico; intorno vi sono zone più fredde a più alta densità. Il risultato è un’istantanea e non si sa se queste masse abbiano un movimento ascensionale o rimarranno statiche per lungo periodo.
Science, 10 Aug 2001, Vol. 293, pg. 1056 - Francois Robert - Il Sole ed i pianeti si sono formati circa 4,55 miliardi di anni fa da una nebulosa protosolare a forma di disco rotante di gas e polveri costituita in massima parte di idrogeno ed elio. Si suppone che il disco abbia avuto una composizione isotopica uniforme dal centro in periferia, ma la composizione isotopica dell’idrogeno nell’acqua della Terra differisce da quello del Sole primitivo. Il rapporto Deuterio/Idrogeno (D/H) per la Terra è stato stimato (149+/-3)*10E-6 contro il (20+/-4)*10E-6 del Sole dedotto dal vento solare sul suolo lunare; questo fa sorgere il problema dell’origine dell’acqua sulla Terra. Nelle meteoriti carbonacee, che sono fra gli oggetti più primitivi del sistema solare, si ha un rapporto simile a quello della Terra per la parte minerale mentre nel materiale organico c’è un maggiore arricchimento in deuterio fino a (380+/-10)*10E-6. Le reazioni chimiche nello spazio interstellare portano ad un arricchimento di deuterio, i granuli di ghiaccio formatisi a temperatura di 10 K arrivano a rapporti di 10E-2 e questa è la composizione dell’acqua interstellare; anche le comete hanno un rapporto più alto della Terra, pari a (310+/-40)*10E-6, e quindi il loro contributo all’acqua della Terra deve essere stato modesto (<10%). Durante la formazione del Sole al gradiente di temperatura dal centro alla periferia corrispondeva un gradiente crescente del rapporto D/H, ma alla distanza della Terra il rapporto doveva essere di circa 80*10E-6 e quindi parte dall’acqua è stata importata dalle regioni più fredde ed il meccanismo non è noto. La Terra come gli altri pianeti si è formata per accrescimento da collisioni di miriadi di planetesimi da 10 a 1000 km di diametro provenienti da orbite instabili ciascuno con il suo contributo di acqua oltre ad alcuni impatti giganti e questo può spiegare la composizione dell’acqua terrestre simile a quella delle meteoriti. Giove e Saturno hanno invece un rapporto D/H simile al Sole mentre quello di Marte è più alto della Terra, circa 300*10E-6 per il mantello, ma l’atmosfera raggiunge gli 810*10E-6 perché la dissociazione dell’acqua con gli ultravioletti fa sfuggire nello spazio l’idrogeno a preferenza del deuterio.
Science, 12 Oct 2001, Vol. 294, pg. 313 - John E. Vidale - La crosta della Terra, con uno spessore fra 6 e 80 km, galleggia sopra il mantello che è costituito da rocce completamente differenti. All’interno del mantello ci sono zone di discontinuità a 410 e 660 km di profondità che ora sono attribuite più a transizioni di fase piuttosto che a variazioni di composizione. Le mappe ottenute con la riflessione delle onde sismiche mostrano che queste discontinuità fluttuano in profondità di circa 20 km. Un’altra discontinuità si nota in certe regioni a 520 km, ma è assente in altre. Le transizioni di fase sono attribuite alla trasformazione beta-gamma dell’olivina ed alla trasformazione garnet-perovskite della componente non olivina delle rocce.
Science, 10 May 2002, Vol. 296, pg. 1066 - James F. Kasting - I microrganismi sulla Terra sono importanti perché in modo diretto o indiretto producono quasi tutto l’ossigeno che respiriamo. La fotosintesi delle piante terrestri produce ossigeno, ma questo processo viene quasi bilanciato da quello opposto della respirazione. La fotosintesi marina è invece una sorgente netta di ossigeno perché una piccola parte del materiale organico sintetizzato (0,1%) viene sepolto nei sedimenti e produce quindi la maggior parte del nostro ossigeno. La fotosintesi marina è prodotta essenzialmente da organismi unicellulari, alghe eucariote che producono il 99% dell’ossigeno. I batteri procarioti che formano circa l’1% della biomassa marina sono importanti perché con i cianobatteri fissano l’azoto oltre a produrre ossigeno, ma in periodi diversi della giornata e, poiché essi vivono sia in condizioni aerobiche che anaerobiche, si crede che siano stati i responsabili del primo aumento dell’ossigeno nella nostra atmosfera circa 2,3 miliardi di anni fa. Recentemente si è notato un aumento della concentrazione di metano e ossido nitroso (N2O) nell’atmosfera in conseguenza dell’attività agricola umana e ciò contribuisce al riscaldamento globale. Tuttavia oggi il metano rimane nell’atmosfera solo per 10 anni perché reagisce con il radicale OH mentre nella primitiva atmosfera anossida il metano, prodotto essenzialmente dalla materia organica, sarebbe stato distrutto solo per fotolisi ed il suo tempo di permanenza era di 10000 anni. Durante l’Archeano l’effetto serra del metano avrebbe compensato la più bassa emissione solare ed avrebbe impedito alla Terra di gelare; successivamente l’aumento dell’ossigeno, riducendo il metano atmosferico avrebbe favorito la glaciazione mentre durante la seconda metà della storia della Terra all’ossigeno è dovuto il colore blu della nostra atmosfera.
Science, 6 Jun 2003, Vol. 300, pg. 1513 - Stein B. Jacibsen - La composizione degli isotopi di tungsteno (W) nei meteoriti ha portato a rivedere completamente la scala dei tempi di formazione dei pianeti di tipi terrestre. Il risultato mostra che la Terra si è formata in circa 10 milioni di anni dopo la formazione del sistema solare, 4567 milioni di anni fa quando si formarono i primi granuli solidi della nebulosa solare. La formazione della Luna è avvenuta 30 milioni di anni dopo la formazione del sistema solare quando la Terra era completamente formata. Il decadimento dell’isotopo afnio-182 (Hf-182) in W-182 con un tempo di dimezzamento di 9 milioni di anni è il migliore orologio per tracciare la formazione della Terra durante i primi 50 milioni di anni. l’afnio è un elemento litofilo, cioè ha una grande affinità con i silicati liquidi e quindi si concentra soprattutto nel mantello di silicati, e nel mantello avviene il decadimenti di Hf-182 in W-182. Il tungsteno invece è siderofilo, ha cioè grande affinità con il ferro fuso, e il 90-95% di esso migra nel ferro quando questo si separa dai silicati. Dopo 50 milioni di anni però l’orologio Hf-W si è esaurito perché tutto l’Hf-182 è decaduto. Il rapporto W-182/W-183 nel sistema solare iniziale era di circa 3-4 parti su 10000 più basso del presente valore terrestre, Ciò significa che il decadimento di Hf-182 era ancora attivo quando la Terra si è formata. Da qui si è dedotto che la Terra si è formata in 10 milioni di anni e che la separazione del nucleo sia stato un evento catastrofico e non un processo prolungato. Il modello dell’accrescimento dei pianeti implica un rapido coagularsi di embrioni protoplanetari in un tempo di circa 100000 anni con dimensioni simili a Marte. Il tempo di formazione della Terra può essere definito come tempo medio per accumulare il 64% della sua massa e l’accrescimento è approssimativamente esponenziale. Il punto finale dell’accrescimento terrestre può essere considerato l’istante di formazione della Luna provocato dall’impatto con una massa delle dimensioni di Marte ed i dati isotopici di W posizionano questo evento a 30 milioni di anni dopo la formazione del sistema solare.
Science, 17 Jun 2005, Vol. 308, pg. 1730 - Richard A. Kerr - Alle origini la Terra era priva di ossigeno e la vita nacque dalla non vita. Con l’evolversi della vita in miliardi di anni si cominciò a produrre ossigeno e l’aumento dell’ossigeno, dal nulla all’abbondanza, si verificò in due passi a intervalli di 2 miliardi di anni circa. L’aumento dell’ossigeno cambiò il corso dell’evoluzione, ma rimangono 4 grandi domande. Quando è comparso il primo ossigeno libero nell’atmosfera? Che cosa lo ha fatto comparire nel punto di origine? Che cosa ne ha frenato la crescita così a lungo? Che cosa ha prodotto la successiva crescita di ossigeno che ha permesso la comparsa degli animali superiori? Gli storici dell’ossigeno concordano su una cosa. La Terra è partita senza ossigeno libero, perché l’O2 era tutto legato nelle rocce e nell’acqua. Senza ossigeno la prima vita, che forse è comparsa 3,5 miliardi di anni fa, sfruttava elementi come il ferro processandoli per ottenere energia. A lungo gli scienziati hanno discusso per quanto tempo la Terra è rimasta anossica ed abitata da piccoli e semplici microrganismi. Fino a poco tempo fa dominava l’idea che la Terra fosse rimasta anossica per più di 2 miliardi di anni e le prove si fondavano su minerali vecchi di 2,2-2,4 miliardi di anni in antiche croste e sedimenti che sembravano di non essere stati mai esposti all’ossigeno, non c’erano ad esempio strati rossi di minerali di ferro arrugginito ed i ricercatori avevano un metodo per determinare la presenza o l’assenza dell’ossigeno: il processo di rottura da parte della luce solare del biossido di zolfo. Questa reazione fotochimica mescola gli isotopi dello zolfo indipendentemente dalla loro massa. La presenza di ossigeno atmosferico cancella questa mass-independent fractionation (MIF) prima che lo zolfo raggiunga la terra. Zolfo MIF è stato trovato nelle rocce più vecchie di 2,4 miliardi di anni, ma non nelle più giovani e l’inversione si verifica con un livello di ossigeno di una parte per milione. Lo zolfo MIF indica che qualcosa è accaduto circa 2,4 miliardi di anni fa. La crescita continua dell’ossigeno ha accelerato l’evoluzione. I primi fossili noti, gli eucarioti, organismi dal lievito agli uomini, che hanno una cellula con nucleo e richiedono ossigeno, sono vecchi di 2 miliardi di anni. I primi fossili abbastanza grandi da poter essere visti senza microscopio, come l’alga Grypania, sono apparsi 1,9 miliardi di anni fa. Per centinaia di milioni di anni prima di superare il limite dello zolfo MIF ci devono essere state oasi di ossigeno dove i cianobatteri, le alghe blu-verdi che producevano ossigeno, hanno catturato la luce del sole con la fotosintesi. Quando questi microrganismi morivano lasciavano residui di diversi isotopi di carbonio, a preferenza quelli leggeri, e molecole organiche. I rapporti isotopici ed i biomarcatori cambiano passando alle rocce più recenti. I cianobatteri erano attivi da 2,7 miliardi di anni, ma il Grande Evento dell’Ossidazione richiese ancora 300 milioni di anni. I ricercatori spiegano il ritardo supponendo che i primi cianobatteri non producevano ossigeno ed i tipi che lo liberarono apparvero 2,4 miliardi di anni fa. Altri suppongono che i gas vulcanici che sequestravano l’ossigeno, come l’idrogeno, cominciarono a ridursi 2,4 miliardi di anni fa permettendo al livello di ossigeno i crescere. Anche il metano prodotto dai batteri delle aree anossie, 3 miliardi di anni fa era 100-1500 volte più abbondante di oggi. Ancora più interessante è ciò che avvenne dopo il Grande Evento di Ossidazione. L’avvento dell’ossigeno portò alla formazione dei depositi rossi ed all’avvento degli eucarioti, ma per un buon miliardo di anni le nuove alghe eucariote rimasero come una scoria verde e l’Evento di Ossidazione non fu poi così grande. Per capire questo gli scienziati hanno rivolto la loro attenzione all’oceano. Nel 1998 il geochimico Canfield propose che l’oceano, a parte gli strati superiori, era rimasto anossico ancora per più di un miliardo di anni dopo la prima apparizione dell’ossigeno. Durante questa fase dell’Oceano Canfield le alghe eucariote erano state bloccate nell’evoluzione perché lo zolfo aveva inquinato l’oceano con i solfiti rimuovendo dalle acque ferro e molibdeno richiesti delle alghe come enzimi ed infatti nella parte intermedia del Proterozoico (da 2,5 a 0,54 miliardi di anni fa) si sono scoperti segni di anossia. Queste analisi si sono fatte però in zone marine isolate e non nell’oceano aperto e forse l’anossia non era così tipica. Nel 2004 si è fatta l’analisi dei rapporti isotopici del molibdeno nelle rocce del medio-proterozoico che dipende dall’ammontare dell’ossigeno nell’oceano e si è visto che fra 1,7 e 1,4 miliardi anni fa il fondo dell’oceano era anossico. Rimane essenzialmente un mistero ciò che ha bloccato l’evoluzione per un miliardo di anni nel Proterozoico, ma il mistero più grande è come finalmente l’ossigeno è salito ai livelli attuali alla fine del Proterozoico, 0,6-07 miliardi di anni fa. Allora compaiono per la prima volta gli animali multicellulari ed i grandi animali come nella fase enigmatica di Ediacara, creature che richiedevano alti livelli di ossigeno. Il secondo evento di ossidazione si dimostra ancora più sfuggente del Grande Evento. Fra le trasformazioni geologiche capaci di indurre questo evento si indicano la formazione di argille capaci di assorbire materia organica nei fondi marini e la formazione di supercontinenti che hanno stimolato la vita marina con l’aggiunta di nutrienti al mare e l’assorbimento di carbonio, l’arrivo di licheni sulla terra ed il crescere dello zooplancton. Ci vogliono maggiori testimonianze sull’antica vita e sull’ossigeno, ma i dati sono sempre più scarsi come si va più lontano nel tempo.
Science, 24 Jun 2005, Vol. 308, pg. 1855 - John Bohannon - Questa settimana l’annunzio che un batterio scoperto nel 2003 sembra derivare la sua energia dalla luce anche se vive nelle profondità dell’oceano ribalta il dogma che la fotosintesi dipenda dal Sole. Se questo fatto venisse confermato sarebbe una tappa cruciale nella spiegazione di come si è evoluta la fotosintesi. Da quanto nel 1977 sono state scoperte le emissioni idrotermali sottomarine si sono fatte delle sorprendenti scoperte come vermi tubiformi lunghi 2 metri e granchi senza occhi che vivono vicino ad emissioni di 350 °C. Alla fine degli anni ’80 si sono trovati gamberetti senza occhi con una zona sensibile alla luce sulla parte posteriore, ma per frequenze molto superiori a quelle delle radiazioni infrarosse emesse dalle acque surriscaldate delle sorgenti termali. La spiegazione venne nel 1996 quando fu provato che l’acqua intorno alle sorgenti emetteva altre radiazioni, troppo deboli per essere percepite dall’occhio umano, ma nelle frequenze dello spettro visibile. I ricercatori non concordano ancora sul meccanismo che produce queste radiazioni, ma esse fanno sorgere la domanda se possono sostenere la vita. Alcuni batteri, 80 m sotto la superficie del Mar Nero prosperano con questa debole luce; sono i batteri verdi dello zolfo che possiedono il tipo di fotosintesi più efficiente che si conosca e, in una ricerca parzialmente finanziata dall’Istituto di Astrobiologia della NASA, nel 2003 si scese a 2,4 km di profondità con il sottomarino Alvin nelle zone vulcaniche della dorsale del Pacifico. Così il team i ricercatori scoprì il primo esempio di un organismo che sembra vivere con una sorgente di luce diversa dal Sole. Questo batterio è ora noto con il nome di GSB1 e richiede luce, zolfo e CO2. Benché l’ossigeno prodotto sia tossico per tutti i batteri verdi dello zolfo, sembra che esso sia ben sopportato da questo batterio che è stato costretto ad adattarsi. Ci si chiede se questo batterio sia l’anello mancante nell’evoluzione della fotosintesi e dimostra come tanti piccoli cambiamenti evolutivi possono creare strutture più complesse. I microbi delle profondità marine in una Terra anossica hanno sviluppato metodi nuovi per sfruttare radiazioni per alimentarsi. Ci si chiede anche se questo batterio sia residente solo intorno alle emissioni termali o passa la sua vita anche in altri luoghi e sfrutti anche fenomeni di sonoluminescenza prodotte dall’implosione di bolle di gas.
Science, 15 Jul 2005, Vol. 309, pg. 364 - Richard A. Kerr - L’effetto geodinamo che produce il campo magnetico della Terra viene simulato sulla base di principi fisici applicati al nucleo di ferro fuso della Terra, ma i meccanismi risultanti sono diversi pur producendo alla superficie campi magnetici simili a quelli reali. Senza un accesso diretto al nucleo non si può dire quale meccanismo è quello corretto. Un modello giapponese che ha utilizzato uno dei più veloci supercomputer ha creato un regime di funzionamento nel quale per la prima volta un aspetto cruciale del comportamento si accorda con le aspettative teoriche e potrebbe rivelare se il campo magnetico terrestre sta per iniziare una delle sue inversioni che avviene in media ogni 100000 anni. Ciò che ha dato al gruppo giapponese un vantaggio è l’Earth Simulator con il quarto più potente computer del mondo. Usando solo un decimo della potenza dei suoi 5120 processori in 6500 ore di calcolo, il team del Tokyo Institute of Technology ha raggiunto nelle sue simulazioni un livello di realismo senza precedenti. In particolare si è riusciti ad usare valori di un ordine di grandezza più bassi dei parametri chiave, i numeri Ekman, che rappresentano il valore relativo di viscosità del fluido del nucleo di ferro rispetto alla velocità di rotazione del pianeta, così gli effetti di viscosità diventano trascurabili come dovrebbero. Negli ultimi 170 anni si è avuta una riduzione del 10% nell’intensità del campo magnetico è ciò ha fatto pensare che potrebbe iniziarsi il processo di inversione del campo magnetico che non si verifica da 780000 anni anche se il valore medio per le inversioni è di 100000 anni. Facendo funzionare l’Earth Simulator l’inversione inizia con coppie distinte di zone di opposta polarità che emergono a basse e medie latitudini e qualcosa di simile si verifica oggi nell’Atlantico del sud. Il computer non ha ancora abbastanza potenza di calcolo per evitare irregolarità e creare inversioni più frequenti; ci vorranno ancora 5-10 anni per un computer abbastanza veloce.
Science, 26 Aug 2005, Vol. 309, pg. 1313 - Richard A. Kerr - Sembra strano che il nucleo interno di ferro solido di 2440 km della Terra debba ruotare più velocemente dello spesso mantello di roccia esterno di 3000 km, ma alcune simulazioni al computer mostrano che la parte esterna del nucleo di ferro fuso tende a frenare il nucleo interno con il campo magnetico generato dal nucleo esterno. Tuttavia i sismologi hanno difficoltà a misurare l’eccesso di rotazione del nucleo interno. Ora dopo 9 anni si è arrivati a dimostrare che realmente il nucleo interno ruota più rapidamente del resto del pianeta, ma meno di quanto sembrava prima. I sismologi della Columbia University, dell’Earth Observatory in Palisades, New York, e dell’Università dell’Illinois sono riusciti a ridurre l’errore nella stima della rotazione del nucleo interno determinando con maggiore esattezza la locazione dei terremoti vicini alle isole South Sandwich nel sud dell’Atlantico. Questi terremoti inviano onde sismiche attraverso il nucleo interno e fino ai sismografi di College in Alaska. Passando attraverso il nucleo le onde possono rallentare ed accelerare a seconda dove passano. Se il nucleo ruota più rapidamente del resto del pianeta i terremoti che partono dallo stesso punto dopo anni o decenni facendo percorsi leggermente diversi arrivano un po’ in anticipo di quanto hanno fatto altre volte rivelando una super-rotazione del nucleo. Il tempo di transito delle onde dipende dall’esatta locazione del terremoto e questo è stato il primo problema. Scegliendo coppie di terremoti che hanno andamenti identici nei loro sismogrammi, e quindi hanno origine quasi identica al massimo di un chilometro, si è calcolato che i tempi di transito sono cambiati di 0,0090 secondi/anno. Un’altra causa di errore è la granulosità irregolare del nucleo interno che alla fine è stata mappata con una nuova tecnica. Ciò ha permesso di determinare la maggiore velocità di rotazione del nucleo interno a 0,3°-0,5° per anno e quindi in circa 900 anni il tempo perché il nucleo interno guadagni una rivoluzione completa sul resto del pianeta. Questo risultato è circa 1/3 della velocità stimata nel 1996 e rimuove ogni restante dubbio sul fatto che il nucleo interno ruoti in modo diverso dal mantello, inoltre questo aiuterà le simulazioni al computer di come il nucleo esterno genera il campo magnetico.
Science, 31 Aug 2007, Vol. 317, pg. 1177 - William F. McDonough - Fisici delle particelle e geofisici non hanno molto in comune, ma all’inizio dell’anno ricercatori di ambedue queste discipline si sono incontrati per discutere di antineutrini. Queste particelle fondamentali (antiparticelle del neutrino) sono prodotte dai reattori nucleari e passano facilmente attraverso la Terra, ma sono generate anche all’interno della Terra dal decadimento naturale di uranio, torio e potassio ed in questo caso sono chiamati geoneutrini. I fisici delle particelle hanno mostrato recentemente che è possibile rivelare i geoneutrini e stabilire i limiti dell’energia prodotta da loro all’interno della Terra. I ricercatori del Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector (KamLAND), in Giappone, hanno riportato i risultati che sono consistenti con la potenza prodotta dal decadimento di torio ed uranio (16 TW) e con la loro abbondanza stimata dai geoscienziati. Questi risultati hanno prodotto una grande eccitazione fra gli scienziati delle due comunità. Il rivelatore KamLAND era stato posto intenzionalmente vicino al sito di un reattore nucleare per caratterizzarlo. Il reattore produce antineutrini di tipo elettrone e questi oscillano fra i tre “sapori” elettrone, muone e tau e si misurano le fluttuazioni della sua potenza. Nuovi rivelatori sono stati installati in altri siti, lontano da reattori nucleari per non sentire il loro contributo. Oltre a rivelare i geoneutrini, i rivelatori sono stati progettati per sentire i neutrini delle supernove che vanno distinti e, proseguendo nei conteggi, il rapporto segnale/rumore dei geoneutrini andrà sempre migliorando e l’incertezza sul bilancio dell’energia radioattiva della Terra diminuirà e si determinerà con maggiore precisione il rapporto Th/U all’interno del pianeta. Si potrà raggiungere un’incertezza del 10% o meno, in 4 anni di conteggi. I rivelatori di geoneutrini si sistemeranno su croste continentali di età diverse. Una proposta è di utilizzare il Sudbury Neutrino Observatory (SNO) da 1000 tonnellate posto in una miniera dell’Ontario, in Canada, locazione ottima per le misure del nucleo antico del continente americano. Un altro rivelatore è il Boron Solar Neutrino spostato dalla Francia all’Italia per allontanarlo dai reattori nucleari, ha già iniziato i conteggi e analizzerà la giovane regione che circonda il bacino del Mediterraneo. Fisici delle particelle delle Hawaii ed altri dagli Stati Uniti, Giappone ed Europa hanno proposto un rivelatore di geoneutrini portatile da 10000 tonnellate da installare sul fondo del mare. Questo rivelatore si chiamerà Hawaii Antineutrino Observatory (HANOHANO che in hawaiano significa magnifico) e permetterà di eseguire misure dal profondo dei mari, lontano dai continenti e dai reattori nucleari e, spostandolo, eseguirà misure in luoghi diversi del globo. Tutti questi rivelatori permetteranno di provare diversi modelli della distribuzione verticale e laterale del torio e dell’uranio all’interno della Terra, confrontare le diverse teorie ed interrogare direttamente l’interno della Terra.
Science, 7 Mar 2008, Vol. 319, pg. 1343 - Tim Atkinson - Dopo che nel 1800 Hutton per primo comprese quanto lunghi fossero i tempi dei processi geologici, come ci suggerisce la memoria delle rocce senza indicare un inizio ed una fine, i geologi elaborarono la nozione di una continua erosione che produceva sedimenti prodotti dai fiumi, ghiacciai e dal vento e poi accumulati a formare altre rocce. Un’osservazione di Hutton era che gli strati si piegavano per il sollevamento della crosta per essere di nuovo erosi rinnovando cicli di enorme durata. Ora noi comprendiamo nei dettagli la storia sedimentaria della Terra e gli episodi di sollevamento della crosta causati da moti verticali accompagnati da moti orizzontali delle placche tettoniche. Un esempio classico è quello del fiume Colorado che ha impiegato circa 20 milioni di anni per incidere il suo corso nel Gran Canyon del Colorado profondo un miglio. Anche Hutton e Lyell possono aver pensato che 20 milioni di anni erano un tempo molto lungo, ma è in realtà breve rispetto ai 4500 milioni di anni dell’età della Terra ed anche rispetto alla vita degli strati che costituivano il Gran Canyon. La stima dei tempi di erosione dei continenti è stata fatta nel 1800 sulla base della concentrazione dei sedimenti lasciati dai fiumi maggiori e la velocità di incisione delle valli è stata calcolata in un piede (30 cm) ogni 1200 anni. I metodi di datazione delle rocce si basano sui tempi di decadimento radioattivo dell’uranio in piombo. I nuovi studi indicano che la parte occidentale dell’altopiano è stata posizionata dalle forze tettoniche 20 milioni di anni fa combinando il sollevamento regionale esteso e l’inizio della grande faglia al bordo occidentale dell’altopiano. Ogni parte dalla crosta continentale si è sollevata episodicamente per le sollecitazioni tettoniche e l’alleggerimento dovuto all’erosione superficiale. La media attuale dell’erosione superficiale è di 145-160 m per milione di anni sul lago Mead, ad ovest della faglia, e di 26 m per milione di anni sull’altopiano del Colorado. L’incisione della valle con una velocità di 166-411 m per milione di anni trovata sul lato est del Gran Canyon è molto maggiore e quindi il sollevamento è stato più rapido e prodotto dalle forze tettoniche.
Science, 13 Feb 2009, Vol. 323, pg. 882 - Franck Poitrasson - Il sistema Terra-Luna ha una composizione isotopica del ferro più ricca di isotopi pesanti rispetto a quelli dei meteoriti. Questa differenza è stata spiegata come una prova del gigantesco impatto avuto dalla Terra con un piccolo pianeta da cui è derivata la formazione della Luna. Questo evento di alta energia ha provocato una parziale evaporazione delle rocce ed ha provocato la perdita degli isotopi più leggeri del ferro e quindi un arricchimento degli isotopi più pesanti. Veniamin B. Polyakov, dell’Accademia Russa delle Scienze di Mosca, ha proposto una soluzione alternativa considerando i possibili effetti della pressione sopra i 100 GPa nel frazionamento degli isotopi del ferro alla profondità di 2900 km, al confine nucleo-mantello. Polyakov ha studiato con simulazioni al computer i fattori di frazionamento degli isotopi del ferro a 130 GPa e 4000 K dei composti postperovskite (Fe,MgSiO3), ferropericlase (Fe,MgO) e ferro metallico e come si raggiunge l’equilibrio degli isotopi del ferro fra questi minerali durante la segregazione del nucleo metallico. Tuttavia le osservazioni dimostrano che, mentre la Terra ha una composizione isotopica più pesante dei meteoriti e di altri pianeti, la composizione isotopica del ferro della Luna è due volte più pesanti di quella della Terra Questa caratteristica rimane un problema aperto. Se verrà confermata, il frazionamento proposto da Polyakov non potrà spiegare da solo le differenze fra i pianeti. La Luna, che ha solo l’1% della massa della Terra, non ha all’interno una pressione così alta. Ulteriori indagini sono ancora necessarie per giustificare queste contraddizioni.