Da dove viene il carbonio della Terra, dallo scontro con un pianeta embrionale come Mercurio?

Uno studio spiega come mai il carbonio non è evaporato quando la Terra era giovane

[6 settembre 2016]

Carbonio Terra 1

L’aumento del carbonio atmosferico dovuto alle attività antropiche ci sta dando grandi problemi, ma senza carbonio la vita così come la conosciamo non potrebbe esistere. Ma da dove viene il carbonio? Uno studio di geofisici della Rice University e del Woods Hole oceanographic institute (whoi) suggerisce che «Praticamente tutto il carbonio che permette la vita sulla Terra potrebbe provenire da una collisione avvenuta circa 4,4 miliardi di anni fa tra la Terra e un pianeta embrionale simile a Mercurio».

Il nuovo studio “Carbon and sulfur budget of the silicate Earth explained by accretion of differentiated planetary embryos”, finanziato dalla Nasa e dalla dalla NASA e la National science foundation Usa è stato pubblicato su Nature Geoscience,  dal team di Rajdeep Dasgupta (Yuan Li e Kyusei Tsuno della Rice e  Brian Monteleone e Nobumichi Shimizu del Whoi) che dice che «Fornisce una nuova risposta ad una domanda geologica a lungo dibattuta: Come si è sviluppata la vita basata sul carbonio sulla Terra, dato che la maggior parte del carbonio del pianeta avrebbe dovuto essere evaporato nei primi giorni del pianeta o restare bloccato nel nucleo della Terra>»

Dasgupta sottolinea che «La sfida è quella di spiegare l’origine degli elementi volatili come il carbonio che sono rimasti al di fuori del nucleo nella porzione del mantello del nostro pianeta.  Dasgupta è specializzato nel ricreare le condizioni di alta pressione e alta temperatura che esistono nelle profondità della Terra e negli altri pianeti rocciosi. Il suo team “stringe” le rocce in presse idrauliche in grado di simulare le condizioni a  circa 250 miglia sotto la superficie terrestre o al confine tra  nucleo e mantello di pianeti più piccoli, come Mercurio.

«Anche prima di questo documento, avevamo pubblicato diversi studi che hanno dimostrato che, anche se il  carbonio non si fosse vaporizzato nello spazio quando il pianeta era in gran parte fuso, sarebbe finito nel nucleo metallico del nostro pianeta, perché le leghe ricche di ferro hanno un forte affinità con il carbonio», spiega ancora Dasgupta.

Il nucleo della Terra, che è fatto principalmente ferro, rappresenta circa un terzo della massa del nostro pianeta. il mantello della Terra rappresenta gli altri due terzi e si estende per oltre 1.500 miglia sotto la superficie terrestre. La crosta e l’atmosfera terrestre sono così sottili che rappresentano meno dell’1% della massa del pianeta. Il mantello, l’atmosfera e la crosta si scambiano continuamente elementi, compresi gli elementi volatili necessari per la vita.

Quindi, se la quota iniziale del carbonio della giovane Terra è evaporata nello spazio o è rimasta bloccata nel nucleo, da dove viene il  carbonio nel mantello e nella biosfera?

Li, che attualmente è alla Rice ma che in realtà è uno scienziato dell’istituto di geochimica di Guangzhou dell’Accademia cinese delle scienze, spiega a sua volta: «Un’idea popolare era che gli elementi volatili come il carbonio, lo zolfo, l’azoto e l’idrogeno si siano aggiunti  dopo la formazione del nucleo della Terra finito. Qualcuno di questi elementi che sarebbe precipitato sulla Terra nei meteoriti e nelle comete più di circa 100 milioni di anni dopo che il sistema solare si era formato, avrebbe potuto evitare il caldo intenso dell’oceano di magma che aveva ricoperto la Terra fino a quel momento. Il problema con questa idea è che, mentre può spiegare l’abbondanza di molti di questi elementi, non ci sono meteoriti conosciute che produrrebbero il rapporto tra elementi volatili nella porzione di silicato del nostro pianeta».

Alla fine del 2013, il team di Dasgupta ha iniziato a pensare a modi non convenzionali per affrontare la questione degli elementi i volatili e della composizione di base e hanno deciso di condurre esperimenti per misurare quanto lo  zolfo o il silicio avrebbe potuto alterare l’affinità del ferro per il carbonio. Un’idea che non è venuto dagli studi sulla  Terra, ma da quelli su alcuni pianeti vicini alla Terra.

Dasgupta ricorda: «Pensavamo che ci fosse sicuramente bisogno di distaccarsi dalla composizione convenzionale di un nucleo di solo ferro e nichel e carbonio. Così abbiamo iniziato ad esplorare le leghe molto ricche di zolfo e di silicio, in parte perché il nucleo di Marte si pensa che sia ricco di zolfo  il nucleo di Mercurio si pensa che possa essere relativamente ricco di silicio. Era uno spettro compositivo che sembrava rilevante, anche se non per il nostro pianeta, quindi sicuramente nello schema di tutti i corpi planetari terrestri che abbiamo nel nostro sistema solare».

Gli esperimenti hanno rivelato che il carbonio potrebbe essere escluso dal nucleo – e relegato nel mantello di silicati – se le leghe di ferro nel nucleo fossero ricche di silicio o di zolfo. «

«I dati chiave hanno rivelato come la suddivisione del carbonio tra le porzioni metalliche e di silicato dei pianeti terrestri varia in funzione di variabili come la temperatura, la pressione e il contenuto di zolfo o silicio», ha detto Li.

Il team ha mappato le relative concentrazioni di carbonio che deriverebbero dall’arricchimento di vari livelli di zolfo e silicio e ha confrontato le concentrazioni dei volatili conosciute nel mantello di silicati terrestre.«Uno scenario che spiega il rapporto di carbonio e l’abbondanza di  carbonio-zolfo è che un pianeta embrionale come Mercurio, nel quale si era già formato un nucleo ricco di silicio, sia entrato in collisione con la terra e che sia stato assorbito dalla Terra – conclude Dasgupta  Dato che si tratta di un corpo massiccio, le dinamiche possono funzionare in modo che il nucleo di quel pianeta fosse arrivato direttamente al nucleo del nostro pianeta, e il mantello ricco di carbonio si sarebbe mescolato con mantello terrestre. In questo lavoro, ci siamo concentrati su carbonio e zolfo. Molto più lavoro dovrà essere fatto per conciliare tutti gli elementi volatili, ma almeno in termini di abbondanze carbonio-zolfo e di rapporto carbonio-zolfo, troviamo che questo scenario potrebbe spiegare gli attuali bilanci del carbonio e dello zolfo della Terra».