Per gli scienziati della Terra, queste sono domande importanti mentre cerchiamo di migliorare le proiezioni per preparare le comunità ad eventi pericolosi in futuro.

Facciamo affidamento su misurazioni strumentali, ma tali registrazioni sono spesso brevi. Per estenderli, utilizziamo gli archivi geologici. E al centro di questa ricerca c'è la geocronologia, un kit di strumenti di metodi di datazione geologica che ci consentono di assegnare età assolute alle rocce.

Negli ultimi anni abbiamo utilizzato una tecnica all'avanguardia nota come datazione cosmogenica dell'esposizione superficiale che ci consente di quantificare il tempo che una roccia ha trascorso sulla superficie, esposta ai segnali provenienti dallo spazio.

Utilizzo dei raggi cosmici come orologio

La Terra è costantemente bombardata da particelle cariche ad alta energia, note come raggi cosmici, provenienti dalle profondità della nostra galassia. La maggior parte viene intercettata dal campo magnetico e dall'atmosfera terrestre. Ma alcuni sono sufficientemente energetici da raggiungere la superficie terrestre.

All'impatto, rompono gli atomi degli elementi comuni nella crosta terrestre, come il silicio e l'ossigeno, per creare nuovi elementi rari noti come nuclidi cosmogenici.

La presenza di nuclidi cosmogenici nelle rocce e nei sedimenti sulla superficie terrestre è un chiaro indicatore dell'esposizione atmosferica. La loro abbondanza ci dice da quanto tempo la roccia è rimasta esposta.

I raggi cosmici furono scoperti per la prima volta all'inizio del 1900, ma ci volle quasi un secolo prima che diventassero disponibili acceleratori di particelle sufficientemente sensibili per contare con precisione il piccolo numero di atomi rari prodotti quando colpiscono la Terra.

Oggi, la datazione dell'esposizione cosmogenica alla superficie rappresenta una tecnica primaria per quantificare le velocità e le date di diversi processi sulla superficie terrestre.

Tempistica del crollo della montagna

Nel sud-est del Fiordland, la frana del Green Lake è una delle più grandi frane sulla Terra. Le sue grandi dimensioni sono particolarmente insolite data la statura relativamente piccola delle montagne da cui proviene.

Ricerche precedenti avevano suggerito che la frana fosse stata indotta dal ritiro di un grande ghiacciaio che in passato sosteneva il fianco della montagna.

Considerando il ritiro dei ghiacciai in corso oggi, abbiamo cercato di verificare questa ipotesi raccogliendo massi sulla superficie della frana del Lago Verde. Queste rocce erano state precedentemente protette dai raggi cosmici all'interno della montagna prima di essere esposte dalla frana.

Le nostre misurazioni hanno prodotto un’età di esposizione di circa 15.500 anni, che è successiva alla fine dell’ultima era glaciale nelle Alpi meridionali di 3.000-4.000 anni. Da questo risultato concludiamo che è improbabile che la deglaciazione sia stata la causa principale di questo spettacolare crollo della montagna. Invece, i nostri risultati indicano un terremoto estremamente grande come l'innesco più probabile.

Con quale frequenza i vulcani emettono lava?

Eruzioni vulcaniche effusive (che producono lava) hanno costruito il grande cono del Monte Ruapehu, la montagna più alta dell'Isola del Nord.

Nonostante alcuni episodi esplosivi durante il XX secolo, non esiste alcuna documentazione osservativa di eruzioni che abbiano prodotto colate di lava. Futuri eventi effusivi potrebbero rimodellare radicalmente il cono vulcanico, con potenziali implicazioni per le infrastrutture locali.

Ma quanto spesso si verificano tali eruzioni?

Supportati dalla sfida scientifica nazionale Resilience to Nature, abbiamo testato se la datazione cosmogenica potesse aiutarci a determinare gli intervalli di ricorrenza delle eruzioni produttrici di lava sul Monte Ruapehu negli ultimi 20.000 anni.

Abbiamo trovato la montagna che emetteva lava in gruppi di attività eruttiva che potrebbero durare per millenni. I dati cosmogenici hanno inoltre fornito date più precise per le recenti eruzioni preistoriche, rispetto a quelle prodotte da altre comuni tecniche di datazione vulcanica come i metodi paleomagnetici e radiometrici.

Monitoraggio dello scioglimento del ghiaccio

Prima delle misurazioni dei nuclidi cosmogenici, i geologi glaciali che cercavano di determinare l’età dei sedimenti si affidavano a scoperte fortuite di materiale vegetale fossile per la datazione al radiocarbonio. Nelle regioni alpine e polari, dove si trova la maggior parte dei ghiacciai, tale materia è raramente disponibile.

I nuclidi cosmogenici risolvono questo problema poiché i ghiacciai estraggono rocce dalla loro base e le trasportano in superficie dove riposano sui pendii delle colline e sulle morene e iniziano ad accumulare il loro segnale cosmico.

Con il supporto della New Zealand Antarctic Science Platform, abbiamo applicato questa tecnica per ricostruire la recente evoluzione del ghiacciaio Byrd, un ampio sbocco della calotta glaciale dell'Antartide orientale.

I ciottoli glaciali, trasportati dall'interno dell'Antartide e depositati sui pendii delle colline su entrambi i lati del ghiacciaio che scorre, tengono traccia dell'altezza del ghiacciaio in passato.

Il nostro studio mostra che il ghiacciaio si è assottigliato di almeno 200 metri circa 7.000 anni fa durante un intervallo di relativa stabilità climatica globale. Questi risultati forniscono rare informazioni tridimensionali che possono essere utilizzate per valutare i modelli computerizzati utilizzati per simulare i cambiamenti passati, presenti e futuri della calotta glaciale.

L’innalzamento del livello del mare è una delle maggiori sfide che la civiltà deve affrontare in questo secolo. Tuttavia, la risposta incerta delle calotte glaciali ai cambiamenti climatici attualmente ostacola le proiezioni.

Gli specialisti di nuclidi cosmogenici stanno ora tentando ambiziosamente di recuperare campioni di roccia da sotto porzioni sensibili delle attuali calotte glaciali. Testarli per rilevare segnali cosmici fornirà importanti informazioni sul potenziale del futuro scioglimento delle calotte glaciali.