Uno sguardo all'interno della Terra

Con  sofisticate tecnologie i geofisici sono in grado di esplorare le profondità della Terra svelandone le strutture più nascoste; grazie a quanto stanno scoprendo, è possibile anche <<sbirciare>> nel futuro del nostro pianeta

di: Corey S. Powell articolo da Le Scienze nr 276

<<Ho affondato lo sguardo per migliaia di chilometri attraverso gli strati interni della Terra>>dice con noncuranza Gary A. Glatzmaier. Mentre questo geofisico del Los Alamos National Laboratory sta comodamente seduto nel suo studio sulla superficie terrestre, un supercalcolatore ultrapotente gli consente di simulare le condizioni interne del globo, fino alle profondità più remote. Il mondo che egli studia si agita in un sommovimento senza posa, come un calderone in ebollizione che tenda a disperdere il proprio calore. Vasti frammenti di fredda crosta superficiale vanno affondando lentamente nel caldissimo mantello, mentre pennacchi di magma risalgono e si espandono in forma di immensi funghi via via che si avvicinano alla superficie. Glatzaimer fa parte dell'avanguardia scientifica il cui lavoro è mirato a chiarire i complessi processi dinamici interni della Terra. Questi ricercatori guardano sotto <<l'epidermide>> della Terra, quello strato sottile (non più di 60 km di spessore) che comprende le montagne, le faglie attive, i vulcani e così via. Andando a studiare il nucleo e mantello, che costituiscono oltre il 99% del volume del pianeta, i geofisici intendono risalire ai processi che in definitiva modellano la superficie della Terra. Le simulazioni di Glatzaimer mostrano i flussi convettivi all'interno del mantello, roccioso ma plastico, che si estende fino al 2900 km di profondità. Nella realtà, questi flussi si muovono con estrema lentezza (ci vogliono centinaia di milioni di anni per completare un circuito di convezione), ma sono abbastanza imponenti da muovere i continenti e mutare la configurazione degli oceani. L'attività non manca neppure nel nucleo esterno liquido formato in prevalenza da ferro, anzi, proprio questi moti, un milione di volte più rapidi di quelli che avvengono nel mantello, generano il campo magnetico della Terra. Da non molto tempo i geofisici hanno iniziato a cartografare la circolazione di questo oceano metallico sotterraneo. Tecniche sismiche altamente sofisticate permettono di spingersi persino al nucleo interno solido, il cui limite esterno si trova a più di tre quarti del raggio (6370 km) della Terra. Questo nuovo quadro della struttura interna della Terra e tanto più notevole se lo si paragona con l'esiguità delle conoscenze disponibili fino a non molto tempo fa. Il nucleo, che si estende per oltre metà del diametro terrestre, fu scoperto solo nel 1906. Inoltre, le scoperte andavano procedendo con una lentezza spaventosa. Ben 65 anni dovettero passare prima che i geofisici potessero affermare con convinzione che il nucleo si divide in una parte esterna liquida e in una interna solida. La teoria della deriva dei continenti, strettamente correlata al concetto di grandi moti convettivi nel mantello, non prese saldamente campo fino agli anni 60. Furono poi i progressi in tre aree di ricerca a determinare la rapidissima definizione del nuovo quadro: la crescita della potenza dei calcolatori; l'incremento della quantità di dati gravimetrici, magnetici e sismici; la messa a punto di dispositivi in grado di simulare le temperature e le pressioni esistenti al centro della Terra. Le onde sismiche vengono <<lette>> e il campo magnetico terrestre analizzato per realizzare le mappe sia del nucleo sia del mantello. Usando sofisticati dispositivi a incudine di diamante, si studia il comportamento delle rocce alle eccezionali temperature e pressioni esistenti al centro del pianeta. Mettendo insieme le varie informazioni, ci si sta rendendo conto di come sia possibile non solo ricostruire il comportamento della Terra allo stato attuale, ma anche acquisire conoscenze sull'evoluzione del pianeta, fino al suo destino ultimo, nel miliardi di anni a venire.

Sono, questi, tempi di estremo interesse per la geofisica dice Adam M. Dziewonski. Le pareti del suo studio presso l'Hoffman Laboratory del Harvard  University sono apprezzate da carte dell'interno della Terra e della distribuzione dei terremoti, fatto salvo uno spazio libero per le proiezioni. Attraverso una serie di diapositive, egli fa il punto della situazione. Le immagini sullo schermo mostrano campi di colore rosso e blu dalle forme non ben definite, somiglianti approssimativamente ai modelli messi a punto dal gruppo di Glatzaimer. In questo caso, però, le immagini non sono simulazioni al calcolatore ma ricostruzioni dell'interno della Terra reale. Sono il prodotto di una tecnica innovativa, la cosiddetta tomografia sismica, messa a punto all'inizio degli anni 80 da vari ricercatori. La tomografia sismica si basa sul fatto che le onde sismiche e si muovono con velocità differenti nei diversi strati della Terra. La densità, la composizione, la struttura mineralogica e il grado di fusione condizionano la velocità di propagazione delle onde sismiche. La temperatura è un altro fattore importante: a parità di altre condizioni, le onde sismiche si propagano più velocemente nelle regioni relativamente più fredde. Il rilevamento e l'analisi delle onde sismiche provenienti da tutto il globo rendono possibile l'individuazione di un gran numero di percorsi sismici all'interno della Terra. L'analisi al calcolatore di queste formazioni rende possibile convertire le onde sismiche in immagini tridimensionali dell'interno. Le mappe di Dziewonski seguono un codice di colore divenuto ormai d'obbligo per i geofisici: il rosso denota onde sismiche relativamente lente, che corrispondono ad alte temperature; le regioni in blu indicano onde veloci, o basse temperature a profondità intorno a 200 km, la Terra appare fredda al di sotto dei continenti e calda in corrispondenza delle dorsali medio-oceaniche, laddove le zolle litosferiche vanno separandosi. Ancor più in profondità, la struttura del mantello sembra essere correlata non a specifiche regioni di attività geologica, ma piuttosto a movimenti su larga scala delle masse continentali. Materiale caldo si trova al di sotto dell'Africa e della parte centrale dell'oceano Pacifico. Un anello di doccia fredda, tutta attorno al Pacifico, si situa sotto tutti i continenti, a eccezione dell'Africa, come se essi fossero stati spinti nelle loro attuali posizioni da correnti discendenti del mantello. I risultati della tomografia sembrano corroborare la nozione intuitiva secondo cui la convezione nel mantello determina il movimento delle zolle litosferiche. Nonostante questi progressi concettuali, comunque, la geofisica della Terra profonda resta animata da un intenso, anche se composto, il dibattito. Non vi è discussione tanto vivace quanto quella che agita i geofisici sui complessi problemi relativi al limite tra mantello e nucleo.

Un nucleo stratificato?

Il limite tra mantello e nucleo o CMB (Core-Mantle Boundary) rappresenta la più brusca transizione fisica e chimica esistente all'interno e la Terra. Un mantello costituito da rocce silicatiche si oppone a un nucleo di lega ferrosa. La lettura delle registrazioni sismiche indica che la roccia alla base del mantello è solida e fluisce con estrema lentezza, più o meno come il vetro. Per contro la parte esterna del nucleo ha pressappoco la consistenza dell'acqua. La differenza di temperatura tra mantello e nucleo potrebbe essere di oltre 1000 °C. Nel  CMB vanno probabilmente ricercate informazioni preziose sul <<funzionamento>> e sull'evoluzione della Terra. Ma il problema di chiarire che cosa realmente accada al CMB è tale da sconvolgere i ricercatori. La tomografia rivela sul modo in cui gli strati interni incidono sul comportamento delle onde sismiche, e la risoluzione della gran parte delle tecniche sismiche per quanto riguarda il CMB è molto scarsa. <<Ci sono state al proposito un sacco di idee destinate a rimanere in sospeso, perché non eravamo in grado di provarle>> rimugina Don L. Anderson, professore di geofisica al California Institute of Technology,1 dei pionieri della tomografia sismica, aggiungendo: <<E' così ancora oggi>>. Per quanto gli scienziati non possano accedere al nucleo, sono ora in grado, per così dire, di portarsi il nucleo di laboratorio, grazie a strumenti per la ricerca sulle alte pressioni come le celle a incudine di diamante. Al Geophysical Laboratory della Canergie Institution di Washington, come all'Università della California a Berkeley e in moltissime altre sedi di ricerca, si possono riprodurre per periodi prolungati le condizioni fisiche esistenti al centro della Terra, seppure su scala molto ridotta (le dimensioni dei campioni non superano il decimo di millimetro). Questi studi ad altissime pressioni sono decisivi per chiarire la chimica complessa che dovrebbe aversi al CMB. Con temperature che oscillano tra 3000 e  4500 °C e una pressione isostatica pari a oltre un milione di volte la pressione atmosferica, i composti interagiscono in modi del tutto insoliti, che possiamo comprendere ben poco. Uno dei ricercatori più attivi tra coloro che cercano di volgere le prove sperimentali alla comprensione del CMB è Raymond Jeanloz, di Berkeley. Jeanloz esibisce una coda di cavallo lo stile anni 60, e un entusiasmo tutto personale per un tipo di ricerca <<a tentoni>> ai margini del geofisica canonica. Ammiratori e avversari considerano talvolta le sue idee poco ortodosse, ma nessuno gli nega la qualità e di stimolante provocatore. David J. Stevenson, del Caltech, lo definisce sinteticamente <<sperimentatore in avanscoperta>>. Stevenson si riferisce specificamente all'attuale lavoro di Jeanloz che mira a dedurre quali tipi di reazione chimica avvengono al CMB. Jeanloz ed Elise Knittle, che lavora attualmente all'università della California a Santa Cruz, hanno ipotizzato che il CMB sia una sorta di barriera a ben scarsa tenuta, che permette considerevoli reazioni chimiche tra il mantello e nucleo. Jeanloz e la Kittle fondano la loro conclusione su un esperimento nel quale hanno collocato in una cella a incudine di diamante frammenti di minerali silicatici (per simulare la composizione del mantello inferiore) e di ferro (per il nucleo esterno). Gli hanno quindi sottoposte a temperature tipiche del CMB, accompagnate da pressioni superiori agli 800 megabar. Successivamente essi hanno esaminato il minuscolo campione, trovando una prova del fatto che il silicio e il ferro, che in ambiente superficiale e non interagiscono minimamente, in quelle condizioni diventano miscibili. Il silicio o l'ossigeno provenienti dal mantello potrebbero farsi strada nel nucleo esterno formando leghe con il ferro. Queste leghe cambierebbero gradualmente la loro composizione provocando una diminuzione della densità complessiva del nucleo. In effetti, dato che la densità del nucleo è considerevolmente minore di quella che avrebbe un puro miscuglio di ferro e nichel, i geofisici sono generalmente d'accordo nell'ammettere la presenza di qualche componente più leggero. La gran parte dei ricercatori ritiene che queste impurezze si trovino nel nucleo pressappoco dalla formazione della Terra. Jeanloz sostiene viceversa che la composizione del nucleo possa essere in continua evoluzione, a mano a mano che frammenti di mantello silicatico vanno dissolvendosi al suo interno. In certe condizioni, il materiale del mantello mischiatosi al nucleo potrebbe formare uno strato distinto alla superficie del nucleo stesso. Thorne Lay, si sociologo a Santa Cruz, ha rilevato una caduta nelle velocità delle onde sismiche nella parte più esterna del nucleo. Egli ipotizza che si tratti di appunto dell'effetto di un arricchimento in silicati. L'idea che il nucleo possa consistere di strati distinti potrebbe risolvere un altro rompicapo geofisico. Gli studi sul comportamento del campo geomagnetico indicano un flusso di campo molto <<liscio>> alla superficie del nucleo, mentre gli studi sismici Dziewonski e altri fanno pensare a una <<topografia>> molto irregolare del CMB, con dislivelli di molti chilometri. Forse uno strato accidentato di miscuglio nucleo-mantello sormonta una superficie di per sé regolare. Ancora una volta, la stratificazione del nucleo potrebbe rivelarsi un'illusione. Un piano sopra lo studio di Dziewonskin ad Harvard, Jeremy Bloxham lì nel suo scetticismo su questa spiegazione ad hoc. Dopo anni passato a correlare dati storici del campo magnetico, secondo Bloxham sta diventando sempre più difficile conciliare le sue scoperte con l'esistenza di uno strato superiore differenziato. Dall'altro lato del CMB l'intreccio si complica. Sempre maggiori sono le indicazioni della presenza di misteriose strutture appena al di sopra del CMB, in una regione denominata D". Vari studi, tra i quali alcuni condotti da Lay, rivelano che la velocità delle onde sismiche cambia tra i 200 e i 300 km al di sopra del CMB, indicando la presenza di uno strato di transizione. Altre indagini sismiche, comunque, mostrano un CMB quasi <<pulito>>. La linea ufficiale -dice Lay- è quella che ammette la presenza al CMB di una struttura fortemente variabile, non sempre presente.>>

Ma quali sono queste strutture?

D'un tratto la linea ufficiale va in frantumi. <<Non c'è praticamente fine alle teorie>> nota Lay. Secondo Jeanloz, ciò che va giù deve tornar su: come il mantello può andare a mescolarsi col nucleo, anche materiale del nucleo può infiltrarsi nel mantello. Egli butta là  l'idea che per capillarità di ferro possa essere assorbito dal mantello, dove formerebbe aggregazioni o, per meglio dire, dense rocce silicatiche arricchite in ferro. Variazioni locali di temperatura o di composizione chimica spiegherebbero l'irregolarità <<a chiazze>> nel D". Pur senza contestare che il D" possa ricevere materiale del nucleo, Stevenson indica altri possibili meccanismi di mescolamento reciproco. Egli ipotizza che la base del mantello <<possa anche essere una sorta di discarica di materiali eterogenei provenienti dal mantello stesso>>. Questo strato potrebbe essere per sempre costituito da residui di vecchie zolle andate in subduzione. Il D" potrebbe anche costituire l'<<estrema dimora>> di materiali primordiali affondati attraverso il mantello, ma troppo leggeri per poter raggiungere il nucleo. Molti colleghi fanno eco a Stevenson. Lay aggiunge che gli effetti della temperatura e della pressione potrebbero condizionare notevolmente la struttura fisica del D". Dato che il fortissimo salto di temperatura e CMB, il calore proveniente dal nucleo potrebbe causare una periodica instabilità del D". Materiale caldo e leggero potrebbe allora staccarsi dal D" per formare un pennacchio caldo in risalita. Peter Olson della Johns Hopkins University e molti se mi altri hanno sviluppato modelli che mostrano come i pennacchi potrebbero assumere la forma di condotti molto stretti e <<focalizzati>> di materiale caldo. Laddove uno di questi condotti raggiunge la superficie si può avere la formazione di un punto caldo vulcanico.I punti caldi sono regione vulcanicamente attive che rimangono relativamente fisse per milioni di anni rispetto allo spostamento delle zolle litosferiche. Un punto caldo nell'oceano Pacifico ha creato la linea delle iSole Hawaii; la sua presenza si manifesta ancora nelle frequenti eruzioni del Kilauea. Evidentemente, di punti caldi hanno origine da una sorgente stazionaria, e quindi estremamente profonda.

Un mantello o due?

Se i pennacchi hanno origine al CMB, che si potrebbero trasportare tracce di materiale dal nucleo fino alla superficie. I gas espulsi dai vulcani contengono elio 3, gas residuo della formazione del pianeta. Una parte di questo gas potrebbe essere rimasto intrappolato per miliardi di anni nel mantello, ma a Stevenson ipotizza che una certa quantità possa essere passata dal nucleo nel D", da dove sarebbe stata trascinata verso l'alto. <<Non c'è alcun modo di provarlo - egli ammette - ma sembra ragionevole che alcuni atomi che ora si trovano alla superficie siano stati nel nucleo fino a tempi geologici relativamente recenti>>. Anderson, d'altro canto, vede il destino del materiale del D" da una prospettiva molto differente. Egli argomenta che il materiale al fondo del mantello sia troppo denso per farsi strada fino la crosta. Piccole celle convettive potrebbero formarsi nel D". Se lo strato diviene abbastanza caldo, può risalire e poi affondare nuovamente attraverso il mantello inferiore, <<ma questa è tutt'altra cosa dal parlare di pennacchi che risalgono fino alla superficie>>. Il percorso che i pennacchi seguono all'interno della Terra dipende, naturalmente, da come avviene la circolazione nel mantello. E anche questa è oggetto di acceso dibattito. Una scuola di pensiero sostiene che l'intero mantello venga rimescolato da immani correnti convettive che si estende erebbero dal CMB sino alla base della crosta. Il campo avversario vede con più favore un mantello costituito da almeno due strati distinti caratterizzati da convezione indipendente. Complessivamente, Stevenson stima che circa l'80-90% dei geofisici si schieri a favore della convezione di mantello profondo. Ma Russell J. Hemley, fisico delle alte pressioni alla Geophysical Laboratory, pensa che la tendenza sia destinata a investirsi, dato che aumentano le prove sperimentali del fatto che la composizione del mantello cambia significativamente con la profondità. Molti ricercatori citano la distribuzione dei punti caldi come argomento a favore della convezione profonda. Lavorando con Mark A. Richards di Berkeley e Bradford H. Hager del Massachusetts dell'Institute of Technology, Dziewonski ha dimostrato che i punti caldi superficiali sembrano trovarsi preferenzialmente in corrispondenza delle regioni del CMB che appaiono relativamente calde nelle mappe ottenute con la tomografia sismica, con l'implicazione stimolante che i punti caldi fungano da sfiatatoi di questo eccesso di temperatura e che esista un diretto legame tra il CMB e i vulcani. Le simulazioni al calcolatore sviluppate da Glatzmeier, David Bercovici dell'Università di Hawaii e Gerald Schubert dell'Università della California a Los Angeles fanno pensare che le fonti di calore interno (come il decadimento radioattivo) alimentino la convezione di grande scala, mentre il semplice riscaldamento dal basso produrrebbe i pennacchi. Sulla base di queste simulazioni Geoffrey Davies, esperto di punti caldi dell'Australian National University, ipotizza che la convezione del mantello tenda a disperdere il calore del mantello stesso e che i pennacchi disperdono invece il calore del nucleo. Se i pennacchi non provengono dal CMB, egli sostiene, il calore proveniente dal nucleo dovrebbe dar luogo a forti correnti ascendenti, il che in effetti non si riscontra. Anche Thomas JOrdan, a capo del Dipartimento di scienze della Terra del Massachusetts Istitute of Technology, ritiene che la convezione si estenda per tutto il mantello. Jordan evita le tecniche topografiche e si concentra piuttosto sullo studio delle onde sismiche che vengono riflesse dal CMB, al fine di cartografare nei dettagli la struttura del mantello. Sulla base di questi studi egli immagina un meccanismo <<a nastro trasportatore>> nel quale celle convettive di enormi dimensioni muovono i continenti in superficie e, quasi specularmente, spostano le irregolari masse di materiale sopra in CMB.

Chi dubita del modello di circolazione profonda vede le cose in modo un poco differente. Gli esperimenti di Jeanloz e Knittle implicano che il mantello inferiore sia troppo denso per avere la stessa composizione di quello superiore. L'infiltrazione di ferro dal nucleo nel mantello inferiore farebbe aumentare la densità sino ai livelli osservati. Jeanloz esclude quindi che vi sia convezione profonda, in quanto essa sconvolgerebbe questa stratificazione chimica. Inoltre il materiale del mantello inferiore non sarebbe comunque in grado, per la sua alta densità, di risalire più di tanto. Altri ricercatori non sono persuasi da questa linea di ragionamento. Gruppi della State University of di New York a Stony Brook e del Geophysical Laboratory hanno scoperto che la perovskite, il minerale prevalente nel mantello inferiore, è ad alte pressioni assai più densa di quanto indichino gli esperimenti di Jeanloz. Sulla base di una ricerca condotta personalmente con celle a incudini di diamante, Hemley ritiene che il lavoro di Jeanloz sulla densità del mantello <<necessiti di qualche modifica>>. Il comportamento del mantello sembra divenire particolarmente complesso nella cosiddetta zona di transizione, tra 400 e 670 km di profondità, dove la velocità delle onde sismiche cambia bruscamente. La profondità di questa zona sembra essere determinata dalle pressioni alle quali i minerali del mantello superiore (in primo luogo l'olivina) vengono portati a nuovi stati metastabili (perovskite e wustite). Le zolle e litosferiche risucchiate nel mantello spesso sembrano piegarsi quando raggiungono la zona di transizione, come se avessero incontrato una barriera impenetrabile. I fautori della convezione stratificata ritengono che esista un circuito convettivo che va  dal CMB alla zona di transizione, di un altro tra la zona di transizione e la sommità del mantello. Il materiale che si trova oltre i 670 km di profondità non potrebbe mai raggiungere la superficie e ciò che accade al CMB influenzerebbe solo indirettamente il mantello superiore. Anderson non vede alcuna prova del fatto che il materiale proveniente da sotto la zona di transizione sia coinvolto direttamente in fenomeni superficiali. Egli rileva come dovrebbe essere più facile per i pennacchi formarsi a 670 km, dove si possono attingere al calore proveniente dalla maggior parte del mantello, piuttosto che al CMB, dove il nucleo è la sola sorgente di calore. Egli nota inoltre, in base alla composizione delle lave dei diversi vulcani, come il mantello non sia omogeneo, cosicché non vi è bisogno di chiamare in causa il materiale dragato dal nucleo.

Un'ipotesi intermedia?

Ma la geofisica della Terra profonda resta un campo di indagine molto soggetto ai tentativi e quelli che sulle prime sembrano aspri conflitti spesso si stemperano in sfumati disaccordi di interpretazione. Lay suggerisce che la regione calda del mantello inferiore possa comportarsi come una sorta di <<zolla calda>> che produrrebbe corrispondenti regioni calde nel mantello superiore, pur senza mescolamento fra i due strati. Jeanloz ammette onestamente che <<il modello di convezione nell'intero mantello potrebbe essere giusto>>. Più probabilmente, egli pensa, <<La realtà si situa da qualche parte tra un'ipotesi e l'altra>>. Per esempio, il mantello potrebbe essere stratificato chimicamente in modo da permettere a parte del materiale di salire al di sopra di scendere al di sotto dello strato di transizione a 670 km di profondità. Philippe Machetel e Patrice Weber, del Groupe de Recherce de Géodesìe Spatiale di Tolosa, hanno sviluppato un dettagliato modello al calcolatore per studiare questa possibilità. A differenza del modello tridimensionale messo a punto da Glatzmaier, Schubert e Bercovici, il gruppo francese opera su sezioni bidimensionali. Riducendosi alle due dimensioni, però, essi hanno disimpegnato potenza del calcolatore così da potersi permettere di esplorare più nei dettagli le proprietà fisiche del mantello, comprese quelle che sono controllate dalle variazioni di temperatura e di pressione.

Utilizzando le equazioni plausibili per il comportamento dei minerali  del mantello alla zona di transizione, Machetel e Weber vedono a 670 km di profondità un processo di accumulo di materiale che poi, una volta raggiunto lo stato critico, sarebbe in grado di attraversare la barriera nei due sensi.         

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Il modo in cui avviene la convezione nel mantello ha larghe implicazioni per l'evoluzione chimica della Terra. Hager ipotizza che il mantello profondo sia estremamente viscoso, cosicché qualunque processo di mescolamento profondo avverrebbe con grande lentezza. Usando dati come quelli relativi al flusso di calore attraverso il mantello e alla velocità di spostamento delle zone e litosferiche, Hager e colleghi hanno calcolato che il mantello inferiore è 30 volte più viscoso di quello superiore.

Se Hager ha ragione, il mantello profondo può circolare con lentezza sufficiente - forse un circuito convettivo in un miliardo di anni - da lasciare praticamente indisturbate ampie sacche del mantello, che in tal modo avrebbero conservato in gran parte la stessa composizione che avevano alla formazione del pianeta,  4, 5 miliardi di anni fa. Queste sacche potrebbero essere i <<serbatoi primordiali>> chiamati in causa dal Stevenson per spiegare la fuoruscita di elio 3 attraverso le eruzioni vulcaniche. Anderson suggerisce che sorgenti nel mantello, ben localizzate, possano facilmente spiegare i quantitativi osservati di elio 3. Stevenson  non esclude, comunque, che la convezione nel mantello fosse più vigorosa nel passato, quando la Terra era più calda, il mantello meno viscoso e la dispersione di calore più rapida.

Nel regno del nucleo

La continua tendenza della Terra ad disperdere il suo calore interno, così come influenza la superficie, si ripercuote anche sulla parte più interna, il denso nucleo ferroso. Dal lato superiore, la circolazione del nucleo esterno è condizionata da regioni calde e fredde presenti nel mantello inferiore, relativamente stazionario. Il nucleo esterno, liquido, presenta flussi di parecchi chilometri all'anno, circa un milione di volte più rapidi di quelli nel soprastante mantello. Alla base, il nucleo esterno assorbe calore dal misterioso nucleo interno. Con il lento raffreddamento del nucleo esterno, i cristalli di ferro si separano dalla parte liquida e vanno a situarsi alla sommità del nucleo interno, liberando calore nel contempo. Il nucleo interno si sarebbe dunque accresciuto nel corso della storia del pianeta. Nonostante l'altissima temperatura, pari a circa quella della superficie solare, le enormi pressioni fanno sì che il nucleo interno rimanga solido. Anche qui, comunque, il calore si disperde gradualmente verso l'esterno. I recenti studi tomografici confermano che il nucleo interno, come il mantello, presenta lenti moti convettivi associati al raffreddamento. Il rapido flusso del nucleo esterno è addirittura rilevabile e ben al di fuori del pianeta. I geofisici concordano generalmente che il flusso fluido nel nucleo esterno generi una corrente elettrica, all'origine del campo magnetico terrestre. Se è così, allora si possono <<ascoltare>> gli sciabordii del nucleo esterno semplicemente osservando l'orientazione di un ago magnetico molto sensibile. In linea di principio dovrebbe essere possibile lavorare al contrario e risalire alle condizioni del nucleo misurando la configurazione e il comportamento del campo alla superficie. Questo è ciò che Bloxham ad Harvard cerca di fare. Egli studia un mondo molto più attivo di quello visto dai sismologi. I cambiamenti  nel nucleo esterno avvengono sulla scala dei decenni, a differenza di quelli del mantello che si svolgono nell'arco di milioni di anni. Nel corso degli ultimissimi secoli la principale componente Nord-sud (di dipolo) del campo geomagnetico si è notevolmente indebolita e l'intero campo ha subito una deriva verso ovest. Su più lunghi periodi di tempo, il campo decadde periodicamente e quindi si riprende, invertendo la sua polarità. Bloxham azzarda un'analogia un po' debole tra il suo lavoro e le previsioni meteorologiche. L'esame del tempo atmosferico a un dato momento rivela sono le condizioni immediate di temperatura, umidità e il vento. Ma seguire l'evoluzione del tempo per alcuni giorni dà moltissime informazioni sul comportamento dell'atmosfera, il flusso delle masse d'aria, lo spostamento delle tempeste per così via. Allo stesso modo, seguire i cambiamenti graduali del campo magnetico terrestre rende possibile risalire al <<clima>> del nucleo esterno.Bloxham, per affrontare questo problema, ha unito i suoi sforzi a quelli di altri studiosi del campo geomagnetico: David Gubbins dell'Università di Leeds e Andrew Jackson, già ad Harvard e ora all'università di Oxford. Come primo passo di essi hanno vagliato i dati del campo magnetico terrestre risalenti fino al termine del diciassettesimo secolo. Hanno quindi utilizzato varie tecniche matematiche per proiettare questi valori sulla superficie del nucleo. In questo modo, essi hanno prodotto mappe del flusso magnetico al limite mantello-nucleo che coprono quasi tre secoli. Una seconda tornata di calcoli li ha messi in grado di ricostruire il flusso alla superficie del nucleo che produce il campo magnetico osservato.Spesso i vecchi manuali rappresentavano il campo magnetico terrestre come quello di un enorme magnete a barra leggermente spostato rispetto al centro della Terra. Le mappe di Bloxham annullano quell'immagine, sostituendola con colorate configurazioni di isolinee, tracciate nei soliti rossi e blu dei geofisici. I colori definiscono regioni di popolarità positiva e negativa. Perfino la distinzione fra polo Nord e sud non è più così semplice. Bloxham trova che chiazze a polarità inversa sono presenti in tutti e due gli emisferi. L'asimmetria del campo complessivo sembra risultare da un irregolare distribuzione di queste chiazze di polarità anomala, o macchie del nucleo. Queste evolvono notevolmente nel corso di pochi decenni, riflettendo la rapida circolazione del nucleo esterno. Ma, come spiega Bloxham, <<La comparsa in superficie delle macchie del nucleo è quasi certamente influenzata dalla presenza di punti caldi nel mantello>>. I mantello si muove così lentamente da essere praticamente del tutto privo di moto rispetto al nucleo, ma la presenza di regioni calde nel mantello potrebbe incentivare una convezione particolarmente intensa nel sottostante materiale del nucleo. Le mappe ottenute con la tomografia sismica mostrano regioni di materiale caldo e freddo del mantello immediatamente al di sopra del nucleo, forse associate con la risalita o la discesa di materiale. Secondo Bloxham e Jackson alcune regioni di rapido flusso del nucleo e di polarità anomala  - segnatamente al di sotto dell'Africa - sembrano essere correlate a regioni calde individuate attraverso la tomografia sismica. Sfortunatamente, le mappe sismiche diventano abbastanza dubbie a profondità così grandi, cosicché ogni considerazione sulla temperatura deve essere presa cum grano salis. Bloxham si era reso conto che, invertendo il problema, egli poteva ottenere sue indipendenti valutazioni della temperatura alla sommità del nucleo esaminando la configurazione del campo. Per esempio, una regione di mantello relativamente calda appena sopra il nucleo dovrebbe incentivare la risalita di materiale e un'attività magnetica particolarmente intensa, mentre una regione di mantello fredda indurrebbe flussi discendenti e attività magnetica ridotta. Sulla base di questa idea, Bloxham e Jackson hanno dedotto le temperature al CMB. Le mappe che ne sono risultate concordano approssimativamente con le mappe della temperatura prodotte con la tomografia sismica, per quanto le molte discrepanze mostrino come entrambe le metodologie abbiano ancora molta strada da fare.

Non per questo si deve pensare che qui sia tutto fumo e giochi di specchi. Lo scorso inverno, al convegno di San Francisco  alla American Geophysical Union, Jackson ha presentato una dimostrazione grafica sulle potenzialità della cartografia del campo magnetico. Se il campo magnetico è prodotto da flussi nel nucleo, questi flussi dovrebbero fare attrito al limite con il mantello, influenzando lievemente la rotazione della Terra. Dopo un rapidissimo excursus di calcoli, egli ha prodotto nello spazio di un giorno un grafico dei cambiamenti previsti nello spazio. Dopodiché ha mostrato una rappresentazione dei cambiamenti reali, determinati a astronomicamente e corretti per gli effetti atmosferici. La corrispondenza era persuasiva.Per esaminare il nucleo interno occorre tornare alle tecniche di indagine usate per il mantello. I primi scorci sul nucleo interno si sono aperti grazie agli studi tomografici sulle oscillazioni libere della Terra. L'energia di terremoti o di grandi esplosioni fa risuonare la Terra come una campana. Se la Terra fosse omogenea in tutte le direzioni, oscillerebbe all'unisono in ogni sua parte. Di fatto, la Terra ha forma leggermente ellittica e il mantello è variabile in composizione e temperatura da punto a punto, così che la configurazione delle oscillazioni si complica notevolmente. Dopo avere tenuto conto di questi fattori, rimanevano da spiegare alcune distorsioni nelle oscillazioni libere. Dai modelli di oscillazione studiati, il sessuologo John H. Woodhouse di Oxford ha concluso che le distorsioni hanno origine nel nucleo interno (un gruppo di sismologi del Caltech contesta comunque a questa conclusione). Egli difende a spada tratta quella che ritiene <<una spiegazione del tutto ovvia>>. Essendo i cristalli di ferro essi stessi asimmetrici, le onde sismiche si propagheranno più velocemente nella direzione di allineamento con i cristalli. Un allineamento preferenziale dei cristalli di ferro nel nucleo interno potrebbe spiegare il segnale osservato. Ma che cosa potrebbe fare in modo che i cristalli si allineino? Ancora una volta entra in scena Jeanloz. Pur ammettendo che <<realizzare un modello dettagliato del nucleo è al di là delle possibilità di chiunque>>, Jeanloz non può resistere alla tentazione di immaginare che un tale allineamento sia effetto di convezione nel nucleo interno. Egli si aspetta che il movimento sia estremamente lento, forse di pochi centimetri all'anno. Ma queste correnti potrebbero bastare a determinare un'orientazione preferenziale per i cristalli di ferro nel nucleo interno. Woodhose è d'accordo che un simile processo di convezione sembri ragionevole. La convezione modificherebbe leggermente la forma del nucleo interno (e quindi le correnti e i cristalli) causandone l'allineamento con l'asse di rotazione. È certo che l'orientazione del nucleo interno, dedotta dallo studio delle oscillazioni libere, rimane entro 20° dall'asse di rotazione della Terra.

Terre passate e future
Da nucleo interno fino alla superficie, l'attività dinamica della Terra è controllata dal calore. Pertanto, come ogni macchina termica, la Terra deve essere destinata a esaurirsi. A ogni modo, la previsione del futuro è notoriamente un campo minato. In particolare, la distinzione tra convezione di mantello profondo e convezione stratificata ha profonde implicazioni sul destino ultimo della Terra. Un mantello superiore che non si mescoli con lo strato sottostante potrebbe fungere da coperta isolante e trattenere il calore interno. La convezione profonda potrebbe materiale caldo direttamente a contatto con la base della crosta terrestre, permettendo un mantello di raffreddarsi molto più velocemente. Se così è accaduto, la Terra potrebbe essere cambiata notevolmente nella sua storia di 4, 5 mld di anni. I segni del comportamento passato del nostro pianeta a condizione di essere compresi correttamente, possono indubbiamente permettere di azzardare uno sguardo al futuro. Norman Sleep, geofisico della Standford University, tra i fautori della convezione profonda, immagino una Terra antica dal mantello notevolmente più caldo, meno viscoso e agitato da circolazione più intensa. Se così è, i salto di temperatura al CMB sarebbe stato molto meno netto e i pennacchi sarebbero stati meno pronunciati o addirittura inesistenti. Sleep osserva come, di fatto, non vi siano prove che il vulcanismo di punto caldo sia più antico di 1, 3 mld di anni Anderson parte dalle stesse considerazioni, ma approda a una conclusione assai diversa. Egli sostiene che è molto difficile identificare punti caldi o effusioni basaltiche più vecchi di un miliardo di anni. Entro questi limiti di tempo, egli non vede segni di declino nell'attività dei punti caldi, coerentemente al modello di convezione stratificata. Per il futuro, Jeanloz, con la sua naturale predisposizione al drammatico, ritiene che <<la Terra sarà ancora attiva quando verrà consumata dal Sole>>, a circa 5 miliardi di anni. Anderson concorda, osservando che la Terra si è raffreddata di soli 200 °C nell'ultimo miliardo di anni, cosa che egli attribuisce in parte alla convezione stratificata. Sleep ha un punto di vista più pessimistico. Raffreddandosi il mantello diverrà sempre più rigido e sempre meno mobile. <<Nel prossimo miliardo di anni, il movimento delle zolle rallenterà o cesserà del tutto>> e gli profetizza con aria di rassegnazione. I continenti si fisseranno in posizioni permanenti e l'erosione spianerà gradualmente le grandi catene montuose i pennacchi continueranno ad arrivare in superficie e costituiranno la via principale di dissipazione del calore interno. Gli scienziati forse non dovranno attendere un miliardo di anni per verificare queste previsioni. Già ora possono osservare quella che forse sarà la Terra del futuro: il pianeta Venere. Le immagini di Venere ottenute dalla sonda Magellan rivelano un pianeta butterato da vulcani, ma privo di segni di una tettonica delle zolle di tipo terrestre. Venere, come la futura Terra, <<sembra essere dominato dalla presenza di grandi e lenti pennacchi>>, come afferma Sleep. Paradossalmente, data l'alta temperatura della sua superficie, il pianeta potrebbe essersi raffreddato più rapidamente della Terra. 

Nonostante una notevole serie di progressi tecnologici di concettuali per rendere possibili tutte queste speculazioni, la geofisica della Terra profonda è una giovane disciplina, inevitabilmente soggetta alle incertezze. La tomografia sismica, che ha permesso un notevole allargamento di vedute sulla struttura della Terra, ha molti critici. Jordan, per esempio, dà voce all'opinione secondo cui questa tecnica <<sì è completamente sgonfiata>>. I fisici delle alte pressioni di Berkeley, Stony Brook e del Geophysical Laboratory mettono in discussione gli uni i lavori degli altri i ricercatori disputano sui pregi dei modelli tridimensionali rispetto a quelli in tre dimensioni. Quasi tutti concordano sulla necessità di ottenere maggiori informazioni sul comportamento dei minerali ad alte temperature e pressioni. Thomas Ahrens, studia la fisica della Terra profonda al Caltech, si assume il ruolo di scettico tout court. Egli rileva che nel mantello inferiore le diverse mappe tomografiche <<semplicemente non corrispondono fra loro>>. Inoltre disdegna le <<estrapolazioni>> con cui si vogliono far valere per il mondo reale gli esperimenti di Jeanloz con le incudini di diamante. Ahrens nota come la ricerca debba assolutamente risolvere <<il netto divario tra la Terra e il laboratorio>>. Nondimeno il tono generale e fortemente improntato all'entusiasmo. <<E' notevolissimo il fatto di poter guardare nel nucleo interno>> dice Bloxham. Jordan considera i recenti progressi nell'analisi delle onde sismiche <<assolutamente rivoluzionari>>. Jeanloz si esprime in termini analoghi per descrivere le nuove tecnologie per lo studio delle alte pressioni, ma le sue parole suonano ugualmente entusiastiche per <<quanto emerge sul versante della fisiologia e del geomagnetismo>>. Una serie di legami teorici connette ormai la deriva dei continenti, i terremoti, il campo geomagnetico e i vulcani. E lo studio dei diversi tipi di fenomeni potrà quindi sempre più profondamente contribuire alla comprensione della dinamica interna del nostro pianeta.

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