Alla ricerca dell’elio perduto

Alcune zone del mantello terrestre – lo strato tra la crosta e il nucleo esterno – contengono un brodo primordiale più antico della Luna. Lo rivela uno studio pubblicato su Nature da ricercatori dell’Università della California a Santa Barbara, guidati dal geochimico Matthew Jackson.

Tra gli ingredienti principali di questa antica zuppa c’è l’elio-3 (3He), un residuo del Big Bang e un prodotto delle reazioni di fusione nucleare nelle stelle. Sulla Terra si trova comunemente un altro isotopo, l’elio-4 (4He), che rappresenta il 99,99986% del totale ed è l’elemento più abbondante dell’Universo dopo l’idrogeno. L’elio-3 invece è rarissimo e confinato nel mantello, in particolare nei punti più caldi, come dimostra il nuovo studio.

Dai terremoti ai vulcani

Gli autori si sono ispirati a un articolo del 2012, pubblicato da ricercatori delle Università del Texas e delle Hawaii. L’articolo suggeriva una correlazione tra alcuni punti caldi – anche noti come hotspot vulcanici, zone di risalita (o upwelling) di magma dal mantello profondo – e la velocità delle onde sismiche che si muovono attraverso l’interno della Terra.

La distribuzione dei principali punti caldi, zone di risalita del magma dalle profondità del mantello spesso associate a isole vulcaniche (immagine: Wikimedia Commons)

Matthew Jackson ha quindi deciso di contattare gli autori per proseguire le indagini. Lo scopo, dimostrare che solo gli hotspot più caldi, dove le onde sono più lente, attingono dal serbatoio primitivo di magma formatosi quando il pianeta era ancora giovane.

La sismologia dei punti caldi

“Abbiamo utilizzato la sismologia del mantello superficiale – la velocità a cui le onde sismiche viaggiano attraverso la Terra sotto la sua crosta – per fare ipotesi sulla composizione del mantello. A 200 km, il mantello superficiale mostra la più ampia variabilità nelle velocità sismiche – oltre il 6%, che è tanto. Cosa più importante, questa variabilità, che credevamo dipendente dalla temperatura, è invece correlata all’elio-3“, ha detto Jackson.

Per il loro studio, i ricercatori hanno utilizzato gli ultimi modelli di struttura della Terra basati sulla velocità sismica e 35 anni di dati sull’elio. Quando hanno confrontato gli hotspot oceanici che presentavano elevati rapporti di 3He/4He con la velocità delle onde sismiche, hanno visto che questi rappresentano i punti del mantello più caldi, con onde sismiche che si muovono più lentamente di quanto non facciano nelle zone più fredde.

Una mappa che mostra i massimi rapporti di elio-3/elio-4 in corrispondenza di hotspot oceanici (immagine: Nature)

Gli scienziati hanno analizzato l’attività degli hotspot, misurata in base alla quantità di lava eruttata. Alle isole Hawaii, Galápagos, Samoa, Pasqua, così come in Islanda, gli hotspot avevano tutti livelli elevati di attività, a conferma di una regola di base della fisica: più un corpo è caldo, più le sue molecole sono agitate.

Elio primordiale

Gli autori hanno anche cercato una spiegazione alla maggior concentrazione di elio-3 in corrispondenza di questi punti caldi. “La spiegazione che abbiamo fornito – in linea con le simulazioni numeriche di cui disponiamo da tempo – è che questo serbatoio di elio primitivo sia davvero denso, in modo che solo i pennacchi più caldi di mantello possano trascinarne un po’ in superficie”, ha detto Jackson.

L’autore Matthew Jackson raccoglie campioni di lava alle Hawaii. L’analisi chimica della lava proveniente dagli hotspot più attivi, come questo, ha rivelato un’insolita concentrazione di elio-3, l’isotopo più raro, una vestigia della Terra primordiale (immagine: WHOI Geodynamics Program)

Questa interpretazione spiegherebbe anche come qualcosa di così antico sia potuto sopravvivere nel mantello, rimescolato da caotici moti convettivi, per 4,5 miliardi di anni. La differenza di densità lo avrebbe preservato fino a oggi, lasciandolo separato dal resto del mantello.

 

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Immagine banner in evidenza: Wikimedia Commons

Immagine box in homepage: WHOI Geodynamics Program

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