Il ferro e l’evoluzione geochimica della Terra


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Rappresentazione schematica dell’approccio sperimentale usato nello studio: l’analisi delle reazioni chimiche dei diversi isotopi del ferro (destra) ha permesso di ottenere informazioni preziose sulla formazione del nucleo terrestre .

Uno studio sperimentale ha dimostrato che il legame dei diversi isotopi del ferro con elementi più leggeri dipende in modo critico dalle condizioni di pressione. Questo dato permette di escludere la presenza di alcuni elementi come carbonio e idrogeno dal nucleo della Terra, formatosi con lo sprofondamento del ferro quando la massa del nostro pianeta era ancora fluida.

La chimica del ferro può raccontare molti particolari dell’evoluzione geochimica del nostro pianeta, in particolare di quella del nucleo. Lo dimostra uno studio pubblicato su “Science” da Anat Shahar della Carnegie Institution for Science e colleghi, che hanno riprodotto in laboratorio le condizioni di pressione elevatissima che caratterizzarono il processo noto come differenziazione planetaria.

Circa 4,6 miliardi di anni fa, la Terra, appena formatasi dall’aggregazione dei materiali che circondavano il Sole, era ancora una massa non solidificata. Gli elementi più densi, come il ferro, sono sprofondati verso il centro, creando il nucleo terrestre e una struttura a strati che è rimasta fino alla nostra epoca. Il ferro in particolare si è separato dai silicati, composti di silicio e ossigeno, che sono andati a costituire il mantello, subito sopra il nucleo, che a sua volta è stato ricoperto dalla crosta terrestre. In questo modello complessivo mancano però molti dettagli, essenzialmente per la difficoltà tecnica di ottenere campioni del nucleo terrestre.

Un aiuto viene dai dati della propagazione delle onde sismiche attraverso i vari strati terrestri, che indicano inequivocabilmente che nel nucleo ci sono anche elementi più leggeri del ferro, sulla cui natura e concentrazione però è in corso un acceso dibattito. La questione di fondo è che il ferro nel suo moto verso l’interno della Terra ha interagito con elementi più leggeri, con cui si è legato formando composti. E per capire quali furono esattamente questi elementi bisognerebbe conoscere con precisione le condizioni in quel momento, in particolare pressione e temperatura.

Sahar e colleghi hanno affrontato il problema con un approccio originale. Hanno infatti riprodotto in laboratorio le condizioni di pressione esistenti nella fase primordiale di evoluzione geochimica della Terra e hanno studiato come influenzano nei diversi composti la presenza degli isotopi del ferro, cioè degli atomi di ferro che differiscono tra loro per il numero di neutroni nel nucleo, secondo un fenomeno noto come frazionamento isotopico.

In sostanza, gli autori hanno dimostrato che la pressione è una variabile cruciale per il frazionamento isotopico. In particolare, dallo studio è emerso che le reazioni tra ferro e due degli elementi leggeri ritenuti probabilmente presenti nel nucleo, idrogeno e carbonio, avrebbero dovuto lasciare nei silicati del mantello una firma isotopica che però non è stata trovata nei campioni disponibili. Ciò ha permesso di escludere questi elementi dalla lista dei potenziali elementi leggeri presenti nel nucleo.

In questa lista però è rimasto l’ossigeno, mentre per capire se sono presenti silicio e zolfo, occorreranno nuovi e più approfonditi studi.

“Anche se la Terra è la nostra casa, c’è molto del suo interno che ancora non capiamo “, ha concluso Shahar. “Le prove per cui la pressione estrema influenza la partizione isotopica secondo modalità che possiamo verificare nei campioni di roccia è un grande passo in avanti nella comprensione dell’evoluzione geochimica del pianeta”.

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