Quando un caldo pennacchio di roccia sale attraverso il mantello terrestre per perforare la crosta sovrastante, può creare non solo un'isola oceanica vulcanica, ma anche un moto ondoso nel fondo dell'oceano lungo da centinaia a migliaia di chilometri. Nel tempo l'isola viene portata via dalla sottostante placca tettonica, e il pennacchio fa apparire un'altra isola al suo posto. Nel corso di milioni di anni, questo hotspot geologico può produrre una catena di isole finali, su cui la vita possa fiorire temporaneamente prima che le isole sprofondino, uno per uno, di nuovo in mare.

La Terra è butterata da dozzine di punti caldi, compresi quelli che hanno prodotto le catene di isole delle Hawaii e delle Galapagos. Mentre il processo con cui si formano le isole vulcaniche è simile da catena a catena, il tempo che ogni isola trascorre sul livello del mare può variare notevolmente, da pochi milioni di anni nel caso delle Galapagos a oltre 20 milioni per le Isole Canarie. L'età di un'isola può determinare la vita ei paesaggi che vi si evolvono. Eppure i meccanismi che determinano la durata della vita di un'isola sono in gran parte sconosciuti.

Ora gli scienziati del MIT hanno un'idea sui processi che determinano l'età di un'isola vulcanica. In un articolo pubblicato oggi in Progressi scientifici , riportano un'analisi di 14 principali catene di isole vulcaniche in tutto il mondo. Hanno scoperto che l'età di un'isola è correlata a due principali fattori geologici:la velocità della placca sottostante e la dimensione dell'onda generata dal pennacchio di hotspot.

Ad esempio, se un'isola giace su un piatto in rapido movimento, è probabile che abbia una vita breve, salvo che, come nel caso delle Hawaii, è stato anche creato da un pennacchio molto grande. Il pennacchio che ha dato origine alle isole Hawaii è tra i più grandi della Terra, e mentre la placca del Pacifico su cui si trovano le Hawaii è relativamente veloce rispetto ad altre placche oceaniche, ci vuole molto tempo perché la lastra scivoli sull'onda espansiva del pennacchio.

I ricercatori hanno scoperto che questa interazione tra velocità tettonica e dimensione del pennacchio spiega perché le isole hawaiane persistono sul livello del mare per milioni di anni in più rispetto alle più antiche isole Galapagos, che siedono anche su piastre che viaggiano a una velocità simile ma su un pennacchio molto più piccolo. A confronto, le Isole Canarie, tra le catene di isole più antiche del mondo, sedersi sulla lenta placca atlantica e su un pennacchio relativamente grande.

"Queste catene di isole sono dinamiche, laboratori insulari su cui i biologi si sono concentrati da tempo, " dice l'ex studentessa laureata del MIT Kimberly Huppert, l'autore principale dello studio. "Ma oltre agli studi sulle singole catene, non c'è molto lavoro che li metta in relazione con i processi della Terra solida, chilometri sotto la superficie."

"Puoi immaginare tutti questi organismi che vivono su una sorta di tapis roulant fatto di isole, come pietre miliari, e si stanno evolvendo, divergente, migrando verso nuove isole, e le vecchie isole stanno annegando, "aggiunge Taylor Perron, capo associato del Dipartimento della Terra del MIT, Scienze dell'atmosfera e planetarie. "Ciò che Kim ha mostrato è, c'è un meccanismo geofisico che controlla la velocità con cui si muove questo tapis roulant e per quanto tempo vanno le catene dell'isola prima che cadano alla fine".

Huppert e Perron sono co-autori dello studio con Leigh Royden, professore di terra, scienze atmosferiche e planetarie al MIT.

Affondare una fiamma ossidrica

Il nuovo studio fa parte del lavoro di tesi del MIT di Huppert, in cui ha guardato principalmente all'evoluzione dei paesaggi sulle catene di isole vulcaniche, le isole hawaiane in particolare. Nello studio dei processi che contribuiscono all'erosione delle isole, ha scoperto una controversia in letteratura riguardo ai processi che causano il rigonfiamento del fondale marino intorno alle isole hotspot.

"L'idea era se riscaldi un po' del fondo del piatto, puoi farlo salire molto velocemente solo con il sollevamento termico, praticamente come una fiamma ossidrica sotto il piatto, "dice Royden.

Se questa idea è corretta, poi per lo stesso motivo, il raffreddamento della piastra riscaldata dovrebbe causare il cedimento del fondale marino e l'eventuale sprofondamento delle isole nell'oceano. Ma studiando le età delle isole annegate nelle catene di hotspot in tutto il mondo, Huppert ha scoperto che le isole annegano a un ritmo più veloce di quanto qualsiasi meccanismo di raffreddamento naturale potrebbe spiegare.

"Quindi la maggior parte di questo sollevamento e affondamento non può essere dovuto al riscaldamento e al raffreddamento, " dice Royden. "Deve essere qualcos'altro."

L'osservazione di Huppert ha ispirato il gruppo a confrontare le principali catene di isole vulcaniche nella speranza di identificare i meccanismi di sollevamento e affondamento dell'isola, che sono probabilmente gli stessi processi che determinano la durata della vita di un'isola, o tempo sopra il livello del mare.

Evoluzione, su un tapis roulant

Nella loro analisi, i ricercatori hanno esaminato 14 catene di isole vulcaniche in tutto il mondo, compreso l'hawaiano, Galapagos, e Isole Canarie. Per ogni catena di isole, hanno notato la direzione in cui si muoveva la placca tettonica sottostante e misurato la velocità media della placca rispetto al punto caldo. Hanno quindi misurato, in direzione di ogni catena di isole, la distanza tra l'inizio e la fine del moto ondoso, o sollevare nella crosta, creato dal pennacchio sottostante. Per ogni catena di isole, hanno diviso la distanza dell'onda per la velocità della placca per arrivare a un numero che rappresenta il tempo medio che un'isola vulcanica dovrebbe trascorrere in cima all'onda del pennacchio, che dovrebbe determinare per quanto tempo un'isola rimane sul livello del mare prima di sprofondare nell'oceano.

Quando i ricercatori hanno confrontato i loro calcoli con le età effettive di ciascuna isola in ciascuna delle 14 catene, comprese le isole che da tempo erano sprofondate sotto il livello del mare, hanno trovato una forte correlazione tra il tempo trascorso in cima alle onde e il tempo tipico in cui le isole rimangono sopra il livello del mare. La durata della vita di un'isola vulcanica, hanno concluso, dipende da una combinazione della velocità della piastra sottostante e della dimensione del pennacchio, o rigonfiamento che crea.

Huppert afferma che i processi che determinano l'età di un'isola possono aiutare gli scienziati a comprendere meglio la biodiversità e come la vita appare diversa da una catena di isole all'altra.

"Se un'isola trascorre molto tempo sul livello del mare, che fornisce un lungo periodo di tempo per la speciazione, " dice Huppert. "Ma se hai una catena di isole in cui hai isole che annegano a un ritmo più veloce, quindi influenzerà la capacità della fauna di irradiarsi alle isole vicine, e come queste isole sono popolate."

I ricercatori affermano che, in un certo senso, dobbiamo ringraziare l'interazione tra velocità tettonica e dimensione del pennacchio per la nostra moderna comprensione dell'evoluzione.

"Stai osservando un processo nella Terra solida che sta contribuendo al fatto che le Galapagos sono un tapis roulant che si muove molto velocemente, con le isole che si spostano molto velocemente, con non molto tempo per erodere, e questo è stato il sistema che ha portato le persone a scoprire l'evoluzione, " osserva Royden. "Quindi in un certo senso questo processo ha davvero posto le basi per gli umani per capire di cosa si trattasse l'evoluzione, facendolo in questo microcosmo. Se non ci fosse stato questo processo, e le Galapagos non erano state in quel breve periodo di residenza, chissà quanto tempo ci sarebbe voluto alla gente per capirlo."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.