L’ORIGINE DELL’ACQUA SULLA TERRA
di Marco Marchetti

Il pianeta azzurro

Se potessimo osservare il cielo stellato dalla superficie di Venere oppure di Marte, in mezzo alle familiari costellazioni noteremmo la presenza di una nuova coppia di stelle mai osservate prima: un piccolo gioiello di colore azzurro perennemente accompagnato da una stellina chiara decisamente più fioca. Si tratta ovviamente della nostra Terra e della Luna, il suo inseparabile e unico satellite naturale.

Il colore azzurro che il nostro pianeta mostra quando viene osservato dallo spazio è dovuto alla presenza dell’acqua degli oceani che ricoprono gran parte della sua superficie. L’acqua è un costituente fondamentale della Terra; oltre a fornire un habitat per un’infinità di specie animali e vegetali, l’acqua è di primaria importanza per tutti i processi biologici, agricoli e industriali. Inoltre acqua e anidride carbonica sono le sostanze che alimentano la fotosintesi clorofilliana, il meccanismo che sta alla base della vita delle piante e quindi, in maniera indiretta, anche del mondo animale.

A questo punto è lecito chiedersi: da dove viene tutta quest’acqua?
Qual è l’origine di questo elemento così abbondante e allo stesso tempo così prezioso?
Per rispondere a questa domanda dobbiamo andare molto indietro nel tempo; dobbiamo risalire a quattro miliardi e seicento milioni di anni fa, l’epoca della nascita del nostro pianeta e di tutto il sistema solare.

La nascita della Terra

La nascita del sistema solare, e quindi anche della Terra, è un fenomeno ormai ben noto agli astronomi. Il tutto prese il via circa quattro miliardi e seicento milioni di anni fa a partire dalla condensazione di una gigantesca nube di polveri e gas. A causa di una perturbazione indotta dal passaggio di una stella vicina oppure dall’esplosione di una vicina supernova, la nube cominciò a collassare su stessa; man mano che il collasso procedeva la nube cominciò ad assumere una forma sferica ed a ruotare su se stessa sempre più velocemente. Alla fine del collasso dalla parte centrale della nube nacque il Sole mentre invece il gas presente all’esterno si dispose in maniera tale da formare un disco. È stato ampiamente dimostrato che in dischi di questo genere si possono formare innumerevoli vortici come i gorghi che si possono osservare sulla superficie dei fiumi in piena. Ogni vortice attirò verso il suo centro tutta la materia circostante e in questo modo si formarono i primi aggregati di materia, quelli che sono stati chiamati planetesimi (cioè piccoli pianeti); in seguito, a pertire da collisioni e fenomeni di cannibalismo fra i planetesimi (quelli più grossi inglobarono i più piccoli), si formarono i pianeti come noi li conosciamo. Anche il nostro pianeta ebbe origine in questo modo in quella lontanissima epoca.

La giovanissima Terra subì in seguito un processo di differenziazione chimica grazie al quale i materiali più pesanti precipitarono verso il suo centro mentre quelli più leggeri migrarono verso la sua superficie. L’atmosfera primordiale terrestre era probabilmente costituita da un sottile strato di idrogeno ed elio, i componenti fondamentali della nube che diede origine al sistema solare; questa atmosfera si disperse molto presto nello spazio poiché la gravità terrestre era troppo debole per poterla trattenere.

Le prime fasi di vita del sistema solare coincisero con il grande borbardamento iniziale, un periodo molto tormentato durante il quale tutti i pianeti e i satelliti del giovane sistema solare furono sottoposti ad un intenso bombardamento da parte di un’infinità di piccoli e medi corpi celesti che altro non erano che i rimasugli della formazione dei pianeti. La superficie della Luna e di molti satelliti di Giove e di Saturno portano ancora oggi le cicatrici del grande bombardamento iniziale; infatti la maggior parte dei crateri visibili sulla superficie del nostro satellite risalgono a quel periodo. Ovviamente anche la giovane Terra non scampò al grande bombardamento iniziale il quale favorì una intensa attività vulcanica; i gas che fuoriuscirono dai crepacci e dai crateri andarono a costituire la seconda atmosfera terrestre che si ritiene essere composta da anidride carbonica (95%), azoto(3%), vapor d’acqua e altre sostanze in minima percentuale.

Il grande bombardamento iniziale si esaurì circa 3 miliardi e ottocento milioni di anni fa.

Arriva l’acqua: dalle nuvole o dallo spazio ?

Le teorie classiche assumono un’origine interna, cioè endogena, dell’acqua sul nostro pianeta.

Secondo queste ipotesi il raffreddamento del nostro pianeta causò la condensazione dell’acqua atmosferica che precipitò al suolo assieme all’anidride carbonica. Qui la prima diede origine agli oceani mentre la seconda contribuì alla formazione di rocce carbonate (come calcare e marmo) impedendo la creazione di un effetto serra incontrollato in atmosfera. Su questo argomento torneremo in seguito.

Secondo teorie molto più recenti, una percentuale più o meno elevata dell’acqua presente negli oceani potrebbe avere un’origine esogena, cioè potrebbe essere arrivata dallo spazio. Da dove precisamente? Dai granuli di polveri insterstellare (molto ricchi di acqua) e, soprattutto, dalle comete.

Oggi noi sappiamo che i nuclei delle comete sono ricchissimi di acqua; per avere un’idea del fenomeno basti pensare che una cometa come la famosissima Hale-Bopp (che raggiunse il massimo splendore durante la primavera del 1997) può contenere migliaia di miliardi di tonnellate d’acqua. Sarebbero quindi sufficienti 14.000 impatti con altrettante comete come la Hale-Bopp per portare sulla Terra metà dell’acqua presente negli oceani.

Non tutti concordano con queste teorie poiché è stato osservato che la composizione dell’acqua presente nel nucleo della Hale-Bopp è diversa da quella dell’acqua presente negli oceani terrestri.
Al contrario, a sostegno dell’ipotesi dell’origine esogena di una percentuale di acqua terrestre vi è una scoperta del satellite artificiale Polar (1996 - 2008).
Il Polar ha scoperto che piccoli corpi ghiacciati, con masse comprese fra 20 e 40 tonnellate, attraversano continuamente l’atmosfera terrestre dove si disintegrano ad altezze comprese fra 26.000 e 8.000 chilometri riversando in atmosfera enormi nubi di vapor d’acqua che cadrebbero sulla Terra sotto forma di pioggia.
Gli impatti di questo tipo sono milioni ogni anno e, secondo alcuni geologi, quest’acqua che proviene continuamente dallo spazio potrebbe compensare quella che affonda nel mantello terrestre e che non riesce a ritornare in superficie attraverso i vulcani.

L’effetto serra

Abbiamo visto che la seconda atmosfera primordiale terrestre era composta quasi totalmente da anidride carbonica; oggi la percentuale in atmosfera di questo gas è di molto inferiore all’uno per cento. Che fine ha fatto tutta quell’anidride carbonica? Grazie alla presenza di acqua allo stato liquido parte dell’anidride carbonica è stata immagazzinata nelle rocce (come abbiamo riferito in precedenza), parte è stata intrappolata negli oceani e una buona percentuale è stata sintetizzata dagli esseri viventi grazie alla fotosintesi clorofilliana. Questi tre processi concorrono ancora oggi allo stoccaggio dell’anidride carbonica liberata in atmosfera da fenomeni naturali come i vulcani e dalle attività umane.

Scopriamo allora un altro grande merito dell’acqua: la presenza di acqua allo stato liquido ha impedito l’accumulo di anidride carbonica in atmosfera e l’instaurarsi di un effetto serra incontrollato.

Ma che cosa è l’effetto serra?

L’atmosfera terrestre non è completamente trasparente alla radiazione che proviene dal Sole; questo è un bene poiché oltre alla consueta luce visibile il Sole emette anche raggi ultravioletti, X e gamma che sono molto pericolosi per gli esseri viventi. Parte dell’energia solare che riesce ad arrivare al suolo viene assorbita dal terreno che, successivamente, la riemette sotto forma di radiazione infrarossa.
Il calore associato alla radiazione infrarossa anziché sfuggire verso lo spazio esterno viene intrappolato da alcuni gas presenti in atmosfera in prossimità del suolo i quali ne ritardano la dissipazione. Di conseguenza la temperatura al suolo risulta più alta di quanto non sarebbe senza la presenza di questi gas.

Questo è esattamente ciò che accade all’interno di una serra: le pareti di vetro lasciano passare la luce del Sole ma trattengono il calore. Per questo motivo il fenomeno è stato chiamato effetto serra e i gas responsabili dell’intrappolamento del calore si chiamano gas serra. Senza questo effetto serra di origine naturale la temperatura media terrestre sarebbe di circa diciotto gradi sotto lo zero cioè trenta gradi in meno del valore attuale. I gas serra più comuni sono, in ordine decrescente di importanza, il vapor d’acqua, il metano e l’anidride carbonica. È chiaro che se la quantità di anidride carbonica in atmosfera aumentasse continuamente fino a raggiungere quelle antiche percentuali la temperatura media terrestre sarebbe molto più alta con tutte le conseguenze del caso. Ed ecco allora che interviene l’acqua: la sua presenza allo stato liquido permette di limitare l’accumulo in atmosfera di anidride carbonica e di mantenere entro un limite ragionevole (e direi anche gradevole) l’effetto serra.

Su Venere, al contrario, la mancanza di acqua allo stato liquido e la conseguente assenza di esseri viventi hanno permesso l’accumulo in atmosfera dell’anidride carbonica emessa dai vulcani fino a livelli altissimi e ciò ha contribuito a trasformare questo pianeta in una specie di inferno dantesco: temperature al suolo superiori ai quattrocento gradi centigradi, pressioni che si aggirano intorno alle cento atmosfere e un’atmosfera superdensa con nuvole di acido solforico.

L’acqua nel sistema solare

La nostra Terra non è l’unico posto nel sistema solare dove è stata rilevata la presenza di acqua. Tralasciando le comete che, come abbiamo già visto, sono ricchissime di acqua, il prezioso elemento è stato trovato sulla Luna, su Marte e su Europa.

La Luna è un corpo decisamente secco ma depositi di acqua ghiacciata sono stati rilevati in fondo a dove non arriva mai la luce del Sole; quest’acqua è stata sicuramente trasportata da antichissime comete che in tempi remoti hanno impattato con il nostro satellite poiché le moderne teorie che spiegano l’origine della Luna escludono nel modo più assoluto la presenza di acqua primordiale.

Diverso il discorso su Marte. In tempi remoti Marte doveva essere ricchissimo di acqua; infatti sulla sua superficie sono presenti i letti di antichissimi fiumi, i resti di antiche inondazioni e sono stati individuati i contorni di quello che, con tutta probabilità, era un antico oceano che ricopriva buona parte dell’emisfero nord del pianeta.
Oggi Marte è un pianeta desertico ma ci sono prove che molta acqua è ancora presente sotto forma di permafrost e in laghi sotterranei. Sarebbe molto interessante scoprire con precisione la causa di questa metamorfosi del pianeta rosso, soprattutto per essere sicuri che la Terra non faccia la stessa fine.

Sembra incredibile ma il luogo in cui c’è una elevatissima probabilità di trovare un gigantesco oceano di acqua probabilmente salata si trova nel regno dei freddi e lontani giganti gassosi. Europa fu scoperto il 7 gennaio 1610 da Galileo Galilei (1564 - 1642) ed è uno dei quattro satelliti naturali di Giove che è possibile distinguere con un piccolo telescopio. La sua superficie liscia è quasi completamente priva di crateri da impatto e ciò lascia supporre che sia molto giovane e in continuo mutamento; la scoperta più sorprendente, almeno per certi versi, è che questa superficie è composta di ghiaccio e che al di sotto della superficie ghiacciata è quasi sicura l’esistenza di un vasto oceano che ricopre interamente il satellite. L’acqua sarebbe mantenuta allo stato liquido dal calore generato dalle frizioni causate dalle forze mareali del vicino Giove.

L’eventuale oceano di Europa potrebbe assomigliare moltissimo al lago Vostok; scoperto nel 1994 da un’equipe di scienziati russi e britannici in prossimità dell’omonima stazione russa, il lago Vostok è il più grande dei 70 laghi che si trovano al di sotto della calotta ghiacciata dell’Antartide.
Situato a circa 4.000 metri al di sotto della crosta ghiacciata, il lago Vostok, con una superficie di circa quindicimila chilometri quadrati, è rimasto isolato dalla biosfera per milioni di anni e potrebbe essere l’ecosistema più antico del mondo.

La presenza di acqua su Europa ha ispirato parte della trama del film di fantascienza "2010 L’anno del contatto" ; uscito nel 1984 il film è il seguito dell’indimenticabile "2001 Odissea nello spazio" e narra le vicende della missione russo-americana partita alla volta di Giove per far luce su ciò che è successo all’astronave Discovery e al suo equipaggio. Giunto nei pressi del pianeta gigante l’equipaggio è testimone di un grande evento: la trasformazione di Giove in una piccola stella ad opera dell’entità extraterrestre che si cela dietro il grande monolito nero.
Ciò si è reso necessario per dare una opportunità di sviluppo e di evoluzione agli esseri che vivono nel grande oceano di Europa, opportunità che queste creature non avrebbero senza la luce e il calore che solo una stella vicina può fornire.

Monografia n.114-2008/2

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