Studio come si formano i pianeti, la formazione dell’atmosfera primordiale e il degasaggio o il rilascio di sostanze volatili, ad es Diossido di carbonio (CO2), idrogeno e anidride solforosa dall’interno dei pianeti. In questo processo i gas nobili sono fondamentali. Questo è un gruppo di elementi inerti e non partecipa alle reazioni chimiche. L’anidride carbonica, l’azoto, l’idrogeno, ecc., sono chimicamente reattivi, ma la natura inerte dei gas nobili dà loro il vantaggio di consentire loro di tenere traccia degli eventi precoci poiché nessuna reazione chimica o biologica li modifica.
Questi forniscono informazioni sulla composizione del pianeta. Tra questi gas, soprattutto tra i gas nobili più pesanti come il kripton o lo xeno, alcuni hanno molti isotopi diversi che appartengono allo stesso elemento ma hanno un numero diverso di neutroni. Alcuni di questi isotopi sono prodotti dal decadimento radioattivo mentre altri non sono radioattivi o non sono prodotti dalla radioattività. Gli isotopi non radioattivi ci consentono di esaminare diverse fonti di sostanze volatili sulla Terra mentre altre fonti contengono informazioni sui periodi di tempo e sul decadimento. Servono come indicatori di quanto velocemente stanno accadendo le cose. È il culmine della conoscenza della provenienza dei gas e della velocità con cui il pianeta si sta formando.
Sia stato che flusso: La lava (R) trovata in regioni vulcaniche come gli altopiani di Odadahraun in Islanda (L) porta materiali dall’interno della Terra alla superficie: questi includono gas nobili che portano prove immutabili di processi planetari e la loro natura inerte resiste a qualsiasi cambiamento. Immagine gentilmente concessa: iStock
La maggior parte dei gas nobili si trova nell’atmosfera, mentre alcuni si trovano anche all’interno del pianeta, solitamente intrappolati nei reticoli cristallini dei minerali. Per quanto riguarda i gas atmosferici, missioni come il rover Curiosity ne hanno misurato la composizione su Marte. Ci sono anche alcune misurazioni da Venere e sono previste nuove missioni che seguiranno. Per la Terra possiamo campionare l’atmosfera abbastanza facilmente, ma per l’interno dobbiamo fare affidamento sulla lava o sul materiale fuso che raggiunge la superficie terrestre, trasportando con sé i gas. Quando si solidificano, questi materiali fusi intrappolano delle bolle al loro interno e spesso in queste minuscole bolle si trovano gas nobili. Li studiamo frantumando i campioni nel nostro laboratorio ed effettuando misurazioni utilizzando uno spettrometro di massa. Per altri materiali planetari come asteroidi o meteoriti, spesso troviamo gas intrappolati nei reticoli cristallini dei minerali e utilizziamo tecniche di riscaldamento per rilasciare tali gas e la spettrometria di massa per misurarli.
Lo xeno è un gas nobile e ha nove isotopi separati. Molti di essi sono prodotti dal decadimento radioattivo di tre gruppi separati di elementi: uranio, plutonio e iodio. L’uranio è ancora presente nel sistema solare e sulla Terra. Il plutonio naturale era presente agli albori del sistema solare e della Terra, ma ora è estinto, essendo completamente scomparso. Lo stesso vale per lo iodio radioattivo, che era presente agli albori del sistema solare e del nostro pianeta primordiale, ma non è ancora completamente decaduto. Pertanto, gli isotopi dello xeno possono essere prodotti solo durante determinati periodi dell’evoluzione della Terra, mentre altri isotopi sono ancora in fase di produzione. Una parte di esso non viene prodotta ora, ma proviene solo dalla combustione di stelle nelle stelle. Quindi, questi diversi processi e le loro diverse tempistiche ci permettono di intravedere la storia della formazione planetaria. L’esame di alcuni isotopi ci dice che questo è stato prodotto forse nei primi 100 milioni di anni di esistenza della Terra e non avrebbe potuto essere prodotto successivamente. Ciò fissa un timestamp fisso su quando potrebbe verificarsi un particolare processo, come un evento di fusione o la formazione della luna.
Luminoso: Gli isotopi indicano l’età della Luna. Immagine gentilmente concessa: iStock
Studiamo anche i feedback o le connessioni tra la superficie terrestre e il suo interno profondo. Stiamo cercando di affrontare il modo in cui i tassi di cambio volatili cambiano nel tempo, compresi i gas nobili, l’acqua, l’anidride carbonica e l’azoto. L’acqua e l’anidride carbonica svolgono un ruolo vitale nel rendere abitabile la superficie del pianeta, e ora sappiamo che l’anidride carbonica è molto importante nel produrre il riscaldamento globale, troppa è dannosa mentre troppo poca rende il pianeta inabitabile. Possiamo studiare questo fenomeno non guardando direttamente all’anidride carbonica, ma ai tassi dei gas nobili che vengono utilizzati come proxy per dirci cosa stanno facendo gli altri gas. Osserviamo come sono cambiati i tassi di degassamento interno con il raffreddamento dell’interno della Terra e quanto di questi gas è stato riciclato nel tempo. Se non ci fosse il riciclaggio, ci aspetteremmo che le riserve superficiali di questi gas continuino a crescere nel tempo. Ma se c’è riciclaggio, vediamo un equilibrio tra ciò che esce e ciò che ritorna nella Terra attraverso la tettonica a placche. L’equilibrio tra degassamento e riciclaggio delle sostanze volatili è importante per mantenere abitabile la superficie terrestre.
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Alcuni aspetti vitali dell’evoluzione della Terra iniziano con la divergenza dell’interno della Terra nel nucleo e nel mantello durante la formazione della Terra; l’aspetto cruciale è la formazione della crosta terrestre. È una questione aperta quanta crosta si sia formata in funzione del tempo. Un’ipotesi è che si sia formata molto presto, ma questa crosta primitiva era sommersa dall’acqua? Quando è apparsa la maggior parte di loro dopo? Le risposte sono importanti per comprendere l’evoluzione della vita.
Anche oggi, la Terra si sta evolvendo perché questa differenziazione è un processo continuo: attualmente, l’interno della Terra si sta parzialmente sciogliendo in corrispondenza delle dorsali medio-oceaniche mentre le placche tettoniche si formano e si allontanano. Abbiamo punti caldi come le Hawaii e le Isole Galapagos dove possiamo vedere emergere prodotti di fusione interna. Che trasporta determinati materiali dall’interno alla superficie della Terra. Le zone di subduzione con queste placche tettoniche iniziano a arretrare, riciclando parte di questo materiale verso l’interno, creando anche nuova crosta continentale. Poiché viviamo tutti sulla crosta, la sua formazione è una pietra miliare importante.
Molti di noi credono che il cambiamento climatico sia qualcosa che accade nell’atmosfera terrestre. Ma anche in questo contesto il sottosuolo è fondamentale. Esistono due modi in cui cambia la composizione dell’atmosfera: esiste un ciclo del carbonio a breve termine che influisce sulla quantità di anidride carbonica nell’atmosfera. Lì, gli oceani della Terra svolgono un ruolo molto importante. Lo scambio di carbonio tra l’atmosfera e gli oceani controlla la quantità di anidride carbonica che può essere presente nell’atmosfera in un breve periodo di tempo, coprendo circa 1.000-10.000 anni.
Su scale temporali più lunghe, l’interno della Terra influenza la quantità di potenziale anidride carbonica presente a causa del degassamento e del riciclaggio interno. Come esseri umani, stiamo ora alterando il bilancio del carbonio su una scala temporale normalmente non associata ai processi naturali: il nostro effetto è stato quello di modificare l’anidride carbonica atmosferica in un tempo molto breve. Tuttavia, l’interno e la crosta della Terra svolgono un ruolo essenziale nell’influenzare la composizione a lungo termine dell’atmosfera, che assume importanza per milioni di anni. Questa interazione a lungo termine è ciò che rende il pianeta abitabile in primo luogo.I cicli a breve termine, in cui gli oceani e la biosfera svolgono un ruolo, influenzano poi anche la quantità di anidride carbonica nell’atmosfera. Pertanto, cicli ed entità diverse influenzano la composizione dell’atmosfera che consente la vita, e a questo proposito dobbiamo essere più consapevoli della crosta e dell’interno della Terra.
