COME NACQUERO GLI OCEANI. L'acqua venuta dallo spazio. I mari furono creati da una pioggia di cometedi Piero Lionello, Università di Padova(pubblicato il 20 ottobre 1999 su TuttoScienze) GLI oceani dominano lo scenario attuale della superficie terrestre, occupandone più dei due terzi. Benché sulla Terra l'acqua esista sia in forma di vapore, di liquido e di ghiaccio, la fase liquida è di gran lunga la più abbondante ed è principalmente raccolta nei mari e negli oceani. Il vapore è quella presente in quantità minore. Il rapporto fra il contenuto totale di vapore nell'atmosfera e il contenuto totale degli oceani è meno di 1 a 100.000. In altri termini, gli oceani hanno uno spessore medio di circa 4 chilometri che aumenterebbe di poco più di un paio di centimetri se tutto il vapore dell'atmosfera, condensando, vi venisse riversato. I ghiacci sono presenti in una quantità intermedia: produrrebbero, sciogliendosi interamente, un aumento di 60 metri del livello del mare. Gli scambi fra fase liquida e vapore sono particolarmente intensi. La radiazione solare riscalda la superficie oceanica, da cui l'acqua evapora, soprattutto nelle regioni tropicali, ad un ritmo di circa un metro all'anno. Questo processo viene limitato dalla concentrazione massima di vapore nell'aria, che, alla superficie terrestre, è di circa 30 grammi per chilo d'aria: un bicchierino di whisky per ogni metro cubo di atmosfera. Poiché tale valore di saturazione aumenta esponenzialmente con la temperatura, ossia l'aria calda può trattenere una maggiore quantità di vapore dell'aria fredda, il rapporto quantitativo fra vapore e liquido dipende dalla temperatura dell'aria. L'aria, contenente il vapore prodotto per evaporazione, alla superficie del mare, sale all'interno della troposfera, i 10 chilometri inferiori dell'atmosfera terrestre, si espande al diminuire della pressione con la quota, quindi si raffredda, il vapore condensa, e precipita sulla superficie terrestre come pioggia o neve. Il vapore permane nell'atmosfera in media per una settimana, durante la quale può venire trasportato per migliaia di chilometri. Le caratteristiche di questo processo ciclico determinano la prevalenza della fase liquida rispetto al vapore e quindi l'esistenza degli oceani nella loro quantità attuale. Questo scenario persiste da più di 4 miliardi di anni, durante i quali gli oceani hanno cambiato forma a causa della deriva dei continenti e quindi anche la loro circolazione si è modificata. Glaciazioni sono state identificate a partire da due miliardi e mezzo di anni fa. Inizialmente gli oceani erano presumibilmente più caldi per effetto di un maggiore effetto serra. Ma in realtà questi cambiamenti, fondamentali per l'ecosistema ed il clima in cui viviamo, sono piccoli in confronto alla veloce evoluzione iniziale. Infatti, all'inizio della storia della terra una grigia incandescente atmosfera, satura di quantità enormi di vapore d'acqua avvolgeva la terra, e non esisteva nulla di confrontabile con gli oceani attuali. Come si sono formati gli oceani? Sono sempre stati presenti, fin dall'origine della Terra? Le teorie recenti sostengono che il nostro pianeta, al pari di Venere e Marte, si formò con un violento processo circa 4,5 miliardi di anni fa. Nella nube protoplanetaria del sistema solare iniziarono a formarsi dei granuli rocciosi, i granuli crebbero in planetesimi, i planetesimi in corpi di dimensioni variabili da 1 a 100 km ed una successione di violente collisioni determinò la formazione della Terra. Al termine di questo processo di accrescimento sulla Terra assieme agli altri costituenti del pianeta era arrivata anche l'acqua. In realtà, sebbene il nostro ambiente sia dominato dalla presenza dell'acqua, in percentuale non è molta; attualmente solo lo 0,25 per mille della massa totale del pianeta è costituita da acqua. In altri termini, il rapporto fra la quantità d'acqua presente sulla Terra e la massa totale del pianeta è quello che c'è fra un bottiglione d'acqua e un cubo di ferro il cui lato misura un metro. Da dove e' arrivata? Oltre ai planetesimi, che erano, probabilmente, corpi ormai privi di apprezzabili quantità d'acqua, anche le comete, proveniente dalle regioni esterne del sistema solare e costituite da grandi quantità di ghiaccio, contribuirono all'accrescimento della Terra. Secondo alcune stime, le comete portarono, durante la fase di accrescimento, circa 10 volte il contenuto attuale di acqua degli oceani. Quindi al momento della formazione della Terra, la quantità d'acqua oggi riscontrata era ampiamente disponibile. Questa disponibilità, tuttavia, non assicura la formazione di un pianeta ricco di acqua, a causa dell'estrema violenza del processo di formazione: in 100 milioni di anni un corpo di circa 10 chilometri crebbe nella Terra con le sue dimensioni attuali, ossia, oltre 6.000 chilometri di raggio. L'energia degli impatti fuse la superficie terrestre, produsse un oceano di magma, da cui fuoriuscivano getti di vapore e gas che costituivano la primordiale atmosfera. Mentre gli impatti meno violenti aumentavano la massa della Terra, quelli più violenti gliene sottraevano e ne strappavano, proiettandola nello spazio, la primitiva atmosfera. Ancor oggi, le componenti volatili sfuggono all'attrazione terrestre negli strati esterni dell'atmosfera. A 500 chilometri sopra la superficie terrestre, nell'esosfera, la densità è così bassa che le singole molecole di gas, attraversano lunghe distanze, centinaia di chilometri, senza collidere fra loro e possono, al pari di proiettili lanciati lontano dalla terra, sfuggire al suo campo di gravità se superano una velocità di soglia, circa 11 km/s. Questa velocità può essere acquisita attraverso urti con altre molecole, particelle o fotoni. La stessa agitazione termica delle molecole di un gas nell'esosfera ne può determinare la fuga dal campo di attrazione terrestre. Nella rovente atmosfera iniziale della Terra, questo processo di fuga era molto più efficiente di ora. Esso agì sommato allo svuotamento dell'atmosfera dovuto agli impatti durante l'accrescimento della Terra. Così, è probabile che grandi quantità d'acqua si siano decomposte per fotolisi nella parte esterna dell'atmosfera e siano andate perdute. Questi processi determinarono la scomparsa quasi completa dell'acqua sia in Marte, più piccolo della Terra e quindi con una gravità inferiore e una minore velocità di fuga, sia in Venere, più caldo della Terra per un effetto serra più intenso. Gradualmente gli impatti diminuirono mentre la massa di asteroidi e planetesimi si concentrava progressivamente nei pianeti attuali e la quantità di corpi con orbite in collisione diminuiva. Gradualmente la Terra si raffreddò. Il rovente vapore dell'atmosfera, invece di sfuggire all'attrazione terrestre, iniziò a condensare e ricadere sulla superficie terrestre per formare i primi mari. Il raffreddamento non fu una tranquilla transizione. Gli oceani furono presumibilmente più volte vaporizzati interamente da colossali impatti. La presenza stessa del vapore acqueo nell'atmosfera determinava un enorme effetto serra e un'altissima temperatura in superficie. Così, nonostante la somiglianze nella composizione iniziale e nella collocazione nel sistema solare di Venere, Marte e Terra, solo quest'ultima riuscì a conservare l'abbondante riserva d'acqua e a formare immensi oceani, che ora possiamo ammirare, consapevoli della loro complessa origine ed iniziale precarietà.
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