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L’enigmatica età del campo magnetico terrestre


Due articoli sull’ultimo numero di “Nature” rilanciano il dibattito sull’età del campo magnetico terrestre, presentando due risultati diametralmente opposti. Secondo la prima misura diretta della conducibilità termica del ferro in condizioni simili a quelle del nucleo esterno della Terra, il campo magnetico terrestre sarebbe infatti sorto 3,5 miliardi di anni fa. Un’altra misurazione, indiretta, indica invece appena 700 milioni di anni fa.

Il campo magnetico terrestre esiste da almeno 3,4 miliardi di anni grazie alla bassa capacità di conduzione del calore manifestata dal ferro presente nel nucleo del pianeta. A questo risultato, pubblicato su “Nature”, se ne contrappone però un altro, pubblicato anch’esso sullo stesso numero della rivista, che va in direzione diametralmente opposta, suggerendo che il campo magnetico si sarebbe manifestato appena 700 milioni di anni fa. Questa coppia di articoli rilancia dunque il dibattito sull’età del campo magnetico terrestre, noto anche come paradosso della geodinamo.

La geodinamo che genera il campo magnetico terrestre è alimentata dai moti convettivi del nucleo esterno ricco di ferro del pianeta in combinazione con la sua rotazione. La forza della convezione nel nucleo esterno dipende però dal calore trasferito dal nucleo al mantello terrestre e dalla conducibilità termica del ferro nel nucleo esterno. Se attraverso la conduzione viene trasferito molto calore, resta poca energia per alimentare la convezione e quindi la dinamo terrestre. Per contro, una bassa conducibilità termica implica una forte convezione, e un rapido sviluppo di un intenso campo magnetico.

Diversi dati di carattere geologico indicano che il campo magnetico terrestre deve esistere da circa 3,5 miliardi di anni fa, ma due simulazioni delle condizioni del nucleo condotte nel 2012 hanno indicato una sua elevata conducibilità termica, limitando l’età del campo magnetico ad appena 1,3 miliardi di anni.

La discrepanza può essere risolta solo in modo sperimentale, portando in laboratorio un frammento di ferro a condizioni di temperatura e pressione simili a quelle presenti nel nucleo. Un’impresa ai limiti delle possibilità tecniche,  affrontata ora da due gruppi di ricerca: il primo diretto da Zuzana Konôpková, ricercatrice al sincrotrone DESY, e il secondo da Kenji Ohta del Tokyo Institute of Technology.

Konôpková e colleghi hanno realizzato la prima misura diretta della conducibilità termica del ferro a pressioni e temperature corrispondenti a quelle del nucleo terrestre ponendo un piccolo campione del metallo in un incudine a diamante e riscaldandolo contemporaneamente con un laser a infrarossi. “Abbiamo compresso una sottile lamina di ferro fino a 130 gigapascal, un valore pari a oltre un milione di volte la pressione atmosferica, che corrisponde più o meno alla pressione al confine nucleo-mantello della Terra”, spiega la Konôpková.

“Contemporaneamente abbiamo riscaldato la lamina a 2700 °C con due raggi laser infrarossi continui, che passavano attraverso i diamanti. Infine, con un terzo laser abbiamo inviato un impulso a un lato della lamina per creare una perturbazione termica e misurare l’evoluzione della temperatura da entrambi i lati della lamina.”

In questo modo i ricercatori hanno ottenuto valori  di conducibilità termica molto bassi (tra 18 e 44 watt per metro al kelvin), che indicano che la geodinamo può essere entrata in funzione molto presto nella storia della Terra, circa 3,5 miliardi di anni fa.

Anche il gruppo di Ohta ha usato un’incudine di diamante per raggiungere le elevatissime pressioni necessarie all’esperimento, ma invece di misurare direttamente la conducibilità termica del metallo, ne ha misurato la resistenza elettrica, che è comunque correlata all’altra. In questo caso dai calcoli risulta però una conducibilità termica molto più elevata (circa 90 watt per metro al kelvin), un valore ancora più restrittivo delle simulazioni del 2012, che porterebbe la nascita del campo magnetico ad appena 700 milioni di anni fa, poco prima dello sviluppo della vita sulla Terra.

Dato che entrambi i lavori appaiono molto solidi – osserva in una nota di commento ai due studi David Dobson, dell’University College di Londra –  l’incompatibilità dei risultati indica che ci sfugge ancora qualcosa: o in qualche sottilissimo dettaglio dell’assetto sperimentale di uno dei due esperimenti, o in qualche fattore concorrente alla generazione della geodinamo nel nucleo. E questa, in ogni caso, è una spinta a ulteriori indagini sperimentali e teoriche.

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