Dalla formazione del pianeta al suo campo magnetico, la storia dell’energia custodita nelle profondità della Terra
di Domenico Di Mauro
Tratto da INGV

Sotto i nostri piedi, ad oltre  6.000 chilometri di profondità, si trova una delle regioni più estreme del nostro pianeta: il nucleo terrestre. Qui si raggiungono temperature dell’ordine di 5.000-6.000 °C, paragonabili a quelle della superficie del Sole. Eppure, nonostante questo calore estremo, una parte del nucleo, quella più interna, è solida, mentre quella più esterna rimane liquida.

Per capire da dove provenga tutto questo calore e quale ruolo abbia nel funzionamento del nostro pianeta, bisogna tornare indietro di 4,5 miliardi di anni, al tempo della formazione della Terra. La storia del calore terrestre comincia proprio allora e prosegue fino a oggi, attraverso i processi che mantengono il nostro pianeta geologicamente attivo e contribuiscono ad alimentare il suo campo magnetico.

Un pianeta fatto a strati

La Terra non è una massa uniforme, ma è strutturata in gusci concentrici con proprietà chimiche, fisiche e meccaniche molto diverse. Lo strato più esterno, la crosta, è spessa circa 5 – 10 km sotto gli oceani e può raggiungere i 70 km sotto le grandi catene montuose. Al di sotto si trova il mantello, spesso quasi 2.900 km e costituito prevalentemente da rocce solide che, su tempi geologici, si comportano come un fluido molto viscoso.

Più in profondità si trova il nucleo, composto principalmente da ferro e nichel. Il nucleo esterno è costituito da una lega metallica liquida, mentre il nucleo interno, a causa delle enormi pressioni, è una sfera solida con un raggio di circa 1.220 km. È proprio qui che si raggiungono le temperature più elevate dell’intero pianeta. Nonostante temperature superiori a 5.000 °C, la pressione, che supera i 3 milioni di atmosfere, impedisce al ferro di fondere.

Da dove arriva tutto questo calore?

Il calore interno della Terra deriva da due sorgenti principali. Una parte è dovuta al cosiddetto calore primordiale, cioè l’energia residua della formazione del pianeta. Circa 4,5 miliardi di anni fa la Terra si accrebbe attraverso l’impatto di migliaia di corpi rocciosi. Ogni collisione liberava enormi quantità di energia trasformandole in calore, fino a rendere il giovane pianeta un immenso oceano di magma. Parte di quell’energia è ancora oggi immagazzinata all’interno della Terra e continua lentamente a essere dissipata verso lo spazio sotto forma di flusso di calore.

A questo calore primordiale hanno contribuito lo sprofondamento degli elementi più pesanti e densi (ferro e nichel) rispetto ai silicati circostanti, confinati principalmente negli strati più esterni del nostro pianeta, attraverso il processo di differenziazione gravitazionale. E’ un processo che continua ancora oggi su scala molto più limitata, mentre nel nucleo la progressiva cristallizzazione del nucleo interno libera calore latente ed energia gravitazionale.

Al calore primordiale si aggiunge un secondo meccanismo, molto importante, ancora oggi perfettamente funzionante: il decadimento radioattivo di uranio, torio e potassio. Concentrati soprattutto nella crosta continentale, per effetto della differenziazione geochimica del pianeta ma presenti (in concentrazioni inferiori) anche nel mantello e in quantità del tutto trascurabile nel nucleo, il calore radiogenico, dovuto al decadimento radioattivo di uranio-238, uranio-235, torio-232 e potassio-40, rappresenta circa la metà del calore interno totale della Terra.

Quanto calore disperde la Terra? 

Il flusso di calore terrestre non viene misurato direttamente nel suo insieme, ma stimato combinando decine di migliaia di misure effettuate sulla superficie, sia sui continenti sia sui fondali oceanici. I valori variano molto da una regione all’altra: sono generalmente più bassi nelle antiche aree continentali stabili e molto più elevati in corrispondenza delle dorsali oceaniche.

Integrando queste misure su tutta la superficie del pianeta, si stima che la Terra disperda verso l’esterno circa 46 ± 3 TW (terawatt, cioè 10¹² watt). Secondo le stime attuali, circa il 40–50% di questo flusso è prodotto dal decadimento radioattivo di elementi presenti soprattutto nella crosta e nel mantello, mentre la parte restante è legata principalmente al calore residuo della formazione del pianeta e alla sua evoluzione interna.

Dal calore interno al campo magnetico terrestre 

Il calore custodito nel nucleo non è soltanto una curiosità geologica. È il motore di uno dei processi più importanti per il nostro pianeta.

Nel nucleo esterno, costituito principalmente da una lega liquida di ferro e nichel, il calore proveniente dalle regioni più profonde alimenta vigorosi moti convettivi. Il ferro liquido è un ottimo conduttore elettrico e il movimento del fluido, grazie alla rotazione terrestre, genera correnti elettriche. L’interazione tra queste correnti e il campo magnetico dà origine a un meccanismo autoalimentato, chiamato geodinamo, responsabile della generazione della maggior parte del campo magnetico terrestre. In prima approssimazione, questo campo presenta la geometria di un dipolo geomagnetico, il cui asse è inclinato di circa 9° rispetto all’asse di rotazione della Terra.

Geodinamo e generazione del campo magnetico terrestre

Il campo magnetico terrestre interagisce con le particelle cariche provenienti dal Sole e devia una parte significativa del vento solare, contribuendo così a proteggere l’atmosfera terrestre. Questa funzione è particolarmente importante perché il vento solare è costituito da un flusso continuo di particelle emesse dalla corona solare che, interagendo con il campo magnetico e con gli strati più esterni dell’atmosfera, può produrre effetti anche molto intensi.

Il campo magnetico non costituisce quindi soltanto una caratteristica fisica del pianeta, ma svolge un ruolo importante nel sistema Terra. Comprendere come il nucleo si raffredda, come evolvono i moti del ferro liquido nel nucleo esterno e come cambia nel tempo la geodinamo è fondamentale anche per ricostruire l’evoluzione del campo magnetico terrestre.

Come esploriamo il cuore della Terra? 

Il nucleo terrestre è un laboratorio naturale ricco di misteri ma è anche completamente inaccessibile: il foro più profondo mai realizzato dall’uomo raggiunge poco più di 12 km, una profondità trascurabile rispetto ai circa 6.371 km che separano la superficie dal centro della Terra. Le nostre conoscenze derivano dall’integrazione di quattro tecniche di studio e di indagine: lo studio delle onde sismiche, esperimenti ad alta pressione e temperatura, modelli numerici e osservazioni a terra e da satelliti del campo magnetico. L’integrazione di queste osservazioni permette di ricostruire con sempre maggiore precisione la struttura e le proprietà dell’interno terrestre.

Nonostante i grandi progressi della geofisica, il nucleo terrestre continua a porre numerosi interrogativi. Gli scienziati cercano ancora di comprendere nel dettaglio come si sia formato il nucleo interno, quale sia la sua età, come evolvano nel tempo i moti del ferro liquido e in che modo questi influenzino il comportamento del campo magnetico terrestre. Le osservazioni sismiche e satellitari stanno inoltre rivelando che il nucleo è molto più dinamico di quanto si ritenesse fino a pochi anni fa. Studiare il cuore della Terra significa quindi non solo soddisfare una curiosità scientifica, ma comprendere i processi profondi che rendono il nostro pianeta geologicamente attivo e abitabile. Il calore custodito nelle profondità della Terra non è dunque un residuo passivo della sua storia: continua ancora oggi a influenzarne l’evoluzione.