L'ambiente superficiale terrestre ospita grandi riserve di idrogeno (H, principalmente sotto forma di acqua, H2O), azoto (nell'N2 atmosferico) e carbonio (principalmente nelle rocce carbonatiche). H, N e C sono talvolta chiamati elementi "volatili" perché partecipano alla formazione di molti composti semplici come i gas a temperatura e pressione standard. Tuttavia, la distribuzione di questi volatili sulla Terra è diversa rispetto alla loro abbondanza nei materiali che hanno originariamente formato il pianeta. Ora, un nuovo studio condotto da Haruka Sakuraba del Tokyo Institute of Technology e Hiroyuki Kurokawa dell'Earth-Life Science Institute (ELSI) presso il Tokyo Institute of Technology mostra come gli eventi drammatici durante il processo di formazione della Terra possono spiegare queste osservazioni.

L'origine dei volatili

Le meteoriti condritiche sono stati tra i primi materiali solidi a formarsi nel giovane Sistema Solare.

In base alla loro composizione isotropica, si pensa comunemente che abbiano fornito gli elementi volatili alla Terra. Tuttavia, le abbondanze di C, N e H in quella che gli scienziati chiamano "bulk silicate Earth" (BSE), che include l'atmosfera, gli oceani, la crosta e il mantello, sono significativamente diverse dalle stesse abbondanze nelle condriti e, inoltre, c'è anche una notevole carenza di azoto. A causa di queste discrepanze, l'origine dei principali elementi volatili della Terra rimane enigmatica. Studi precedenti hanno proposto che potrebbero essere stati consegnati da meteoriti o asteroidi differenziati, non condritici.

I ricercatori hanno modellato l'evoluzione delle abbondanze dei volatili nell'atmosfera, negli oceani, nella crosta, nel mantello e nel nucleo fin dalle prime fasi della formazione della Terra, tenendo conto di tutti questi fattori, nonché dei vincoli sulla formazione del pianeta, come la mineralogia precoce e la distribuzione dimensionale di asteroidi e meteoriti in arrivo. Hanno quindi confrontato l'inventario volatile finale in varie condizioni con l'attuale Terra.

Kurokawa ha detto: "Le origini dell'ambiente abitabile della Terra e il modo in cui è emersa la vita sono senza dubbio domande interessanti. Il fatto che la Terra sia abitabile non è solo perché ha acqua liquida sulla sua superficie, sebbene ciò sia importante, ma anche perché la sua atmosfera C e N aiutano a mantenere la superficie della Terra abbastanza calda da sostenere l'acqua liquida. L'abbondanza di questi importanti elementi volatili è importante; se aumentassimo o diminuissimo la loro abbondanza anche di un fattore di poche volte, la Terra sarebbe stata un pianeta completamente asciutto o completamente coperta dall'oceano, o il suo clima sarebbe stato estremamente caldo o freddo".

Il puzzle è complicato ma il nuovo studio ha mostrato che il modello di deplezione di C, N e H del BSE potrebbe effettivamente essere dovuto alla continua caduta di corpi condritici se i loro componenti volatili fossero stati influenzati dal processo stesso di formazione della Terra.
In primo luogo, la ricerca propone che, poiché il pianeta era essenzialmente una palla di roccia fusa nelle sue prime fasi, quantità significative di C potrebbero essere state rimosse nel nucleo terrestre. Successivamente, quando il pianeta si è raffreddato e solidificato e si sono formati gli oceani, C e H si sarebbero depositati come acqua e rocce carbonatiche. Allo stesso tempo, N è rimasto in gran parte nell'atmosfera, dove i successivi impatti esplosivi di meteoriti ne hanno rispedito una parte nello spazio.

volatili terraa) La Terra nella sua fase di accrescimento principale, quando era ricoperta da un oceano di magma. b) Terra nella sua fase di accrescimento tardivo, quando gli oceani esistevano già.
Crediti: Sakuraba et al. (2021) Rapporti scientifici


La zona abitabile

Kurokawa ha sottolineato che c'è un grande interesse scientifico verso le regione intorno alle stelle chiamate "zone abitabili". Queste si trovano a una distanza alla quale un pianeta riceve energia stellare sufficiente per mantenere la superficie abbastanza fredda da trattenere l'acqua ma anche abbastanza calda affinché l'acqua sia allo stato liquido. L'esistenza di un pianeta nella zona abitabile dipende, tuttavia, anche dalla massa del pianeta e dalla sua composizione chimica, poiché i pianeti piccoli e di piccola massa perdono più facilmente sostanze volatili a causa della fuga gravitazionale e le atmosfere planetarie possono aiutare a riscaldare i pianeti intrappolando la radiazione infrarossa in uscita attraverso cosìddetto effetto serra.

"Siamo interessati a come gli ambienti abitabili che possono sostenere la vita possono svilupparsi sulla Terra e su altri pianeti e, di conseguenza, alla domanda: La Terra è speciale o comune?. L'ambiente della superficie terrestre è controllato non solo dalla sua distanza dal Sole e la presenza di acqua ma anche dal suo inventario dei principali elementi volatili come C, N e H. Questa è una domanda importante in particolare perché l'abbondanza volatile della Terra differisce così notevolmente dai corpi primitivi del Sistema Solare nel nostro Sistema Solare da cui la Terra dovrebbe essersi formata".

Lo studio spiega l'abbondanza dei principali elementi volatili della Terra e mostra che il mix è un risultato naturale della formazione di un pianeta di certe dimensioni in una zona abitabile. Al contrario, i ricercatori suggeriscono che Venere (che si è formata più vicino al Sole) e Marte (che è dieci volte più piccolo della Terra) dovrebbero aver acquisito diverse abbondanze volatili.

Gli autori pensano che questi risultati possano aiutare ulteriormente a prevedere quali pianeti extrasolari, nelle zone abitabili delle rispettive stelle ospiti, possano risultare veramente ospitali per la vita.


Incertezze e nuove domande

Il team fa notare che c'è qualche incertezza in alcuni dei parametri utilizzati nel modello. Ogni parametro ha un diverso grado di incertezza. Incorporare tutti questi diversi processi in un unico modello in modo semplice e quantificare l'influenza delle loro incertezze ha richiesto l'esecuzione della simulazione molte volte con parametri diversi.

I precedenti tentativi di spiegare l'abbondanza degli elementi volatili della Terra si sono concentrati su una considerazione limitata dell'interazione dei processi di formazione dei pianeti. Questo studio è il primo a modellare come l'abbondanza dei principali elementi volatili possa essere cambiata durante l'accrescimento della Terra.

"Una delle nuove domande che questo lavoro solleva è come la distribuzione dei principali elementi volatili sia stata determinata all'inizio della storia della Terra", ha detto Kurokawa. "Il nostro modello prevede che questi volatili siano stati per lo più ospitati sulla superficie subito dopo la formazione della Terra. Al contrario, il più grande serbatoio di essi oggi è il mantello. La tettonica a placche dovrebbe essere responsabile di questo cambiamento. Tuttavia, quando e come questi volatili sono stati trasportati al mantello è una questione ancora irrisolta. Anche questo è legato all'emergere e all'evoluzione della vita sulla Terra; N è a volte il fattore limitante per l'attività biologica e l'attuale ciclo N è in gran parte dominato dalla vita".

Una domanda futura che il team intende affrontare è se lo stesso scenario di formazione planetaria può spiegare le abbondanze volatili di altri pianeti terrestri, tra cui Venere e Marte. La superficie di Venere, compresa l'atmosfera, sarà esplorata dalle future missioni della NASA (DAVINCI+ e VERITAS) e dell'ESA (EnVision). Per Marte, invece, ci sono informazioni disponibili dalle analisi dei meteoriti marziani e dalle misurazioni sismologiche della missione InSight. Il team ritiene che da questo studio possano essere sviluppate previsioni verificabili per altri pianeti.