Incudine di diamante. L'involucro esterno in metallo e i denti diamantati interni dell'incudine ad alta pressione. Credito:Hirose et al.
Esperimenti ad alta temperatura e alta pressione che coinvolgono un'incudine di diamante e sostanze chimiche per simulare il nucleo della giovane Terra dimostrano per la prima volta che l'idrogeno può legarsi fortemente con il ferro in condizioni estreme. Questo spiega la presenza di quantità significative di idrogeno nel nucleo terrestre arrivato sotto forma di acqua dai bombardamenti miliardi di anni fa.
Data l'estrema profondità, temperature e pressioni in gioco, non siamo fisicamente in grado di sondare molto lontano nella terra direttamente. Così, per scrutare nel profondo della Terra, i ricercatori utilizzano tecniche che coinvolgono dati sismici per accertare cose come la composizione e la densità del materiale sotterraneo. Qualcosa che si è distinto da quando sono stati effettuati questi tipi di misurazioni è che il nucleo è fatto principalmente di ferro, ma la sua densità, in particolare quello della parte liquida, è inferiore al previsto.
Ciò ha portato i ricercatori a credere che ci debba essere un'abbondanza di elementi leggeri accanto al ferro. Per la prima volta, i ricercatori hanno esaminato il comportamento dell'acqua in esperimenti di laboratorio che coinvolgono ferro metallico e composti di silicato che simulano accuratamente le reazioni metallo-silicato (nucleo-mantello) durante la formazione della Terra. Hanno scoperto che quando l'acqua incontra il ferro, la maggior parte dell'idrogeno si dissolve nel metallo mentre l'ossigeno reagisce con il ferro ed entra nei materiali silicatici.
"Alle temperature e pressioni a cui siamo abituati in superficie, l'idrogeno non si lega al ferro, ma ci siamo chiesti se fosse possibile in condizioni più estreme, " ha detto Shoh Tagawa, un dottorato di ricerca studente presso il Dipartimento di Scienze della Terra e Planetarie dell'Università di Tokyo durante lo studio. "Temperature e pressioni così estreme non sono facili da riprodurre, e il modo migliore per ottenerli in laboratorio era usare un'incudine di diamante. Questo può impartire pressioni di 30-60 gigapascal a temperature di 3, 100-4, 600 Kelvin. Questa è una buona simulazione della formazione del nucleo terrestre".
Laboratorio di imaging isotopico presso l'Università di Hokkaido. La ricerca è stata una collaborazione tra istituzioni, compresa l'Università di Hokkaido. Credito:Hisayoshi Yurimoto
Il gruppo, sotto il professor Kei Hirose, usato metallo e silicati acquiferi analoghi a quelli che si trovano nel nucleo e nel mantello della Terra, rispettivamente, e li ha compressi nell'incudine diamantata riscaldando contemporaneamente il campione con un laser. Per vedere cosa stava succedendo nel campione, hanno usato l'imaging ad alta risoluzione che prevedeva una tecnica chiamata spettroscopia di massa di ioni secondari. Ciò ha permesso loro di confermare la loro ipotesi che l'idrogeno si lega al ferro, il che spiega l'apparente mancanza di acqua oceanica. Si dice che l'idrogeno sia amante del ferro, o siderofilo.
Campione da esperimento ad alta pressione. Le analisi chimiche ad alta risoluzione con spettroscopia di massa di ioni secondari hanno mostrato l'abbondanza di acqua rimasta nel silicato fuso dopo la compressione con ferro metallico liquido. Credito:Tagawa et al.
"Questa scoperta ci consente di esplorare qualcosa che ci colpisce in modo abbastanza profondo, "ha detto Hirose. "Che l'idrogeno è siderofilo sotto alta pressione ci dice che gran parte dell'acqua che è arrivata sulla Terra in bombardamenti di massa durante la sua formazione potrebbe essere nel nucleo come idrogeno oggi. Stimiamo che potrebbero esserci fino a 70 oceani di idrogeno rinchiusi laggiù. Se questo fosse rimasto in superficie come acqua, la Terra potrebbe non aver mai conosciuto la terra, e la vita come la conosciamo non si sarebbe mai evoluta."
