L'origine dell'acqua sul nostro pianeta è una domanda che ci poniamo da tempo: l'acqua ha immense implicazioni per la tettonica a placche, il clima, l'origine della vita sulla Terra e la potenziale abitabilità di altri pianeti simili alla Terra. In un recente studio su Physical Review Letters, un professore di Skoltech e i suoi colleghi cinesi hanno suggerito un composto chimico che – sebbene ora estinto – potrebbe aver preservato l'acqua in profondità nel sottosuolo nell'era violenta in cui massicce collisioni devono aver fatto evaporare l'acqua superficiale della Terra.
Oltre ad essere la sostanza importantissima per l'origine della vita come la conosciamo, l'acqua superficiale è importante per stabilizzare il clima di un pianeta per lunghi periodi di tempo, consentendo l'evoluzione. Anche piccole quantità di acqua in profondità sotto la superficie sono note per aumentare drasticamente la plasticità della roccia, che è essenziale per la tettonica a placche – un processo che modella i continenti e gli oceani e guida terremoti e vulcanismo. Ma nonostante la sua enorme importanza per l'evoluzione di pianeti rocciosi come il nostro, non sappiamo da dove provenga l'acqua della Terra.
"Alcuni scienziati pensavano che la nostra acqua fosse seminata dalle comete, ma questa fonte sembra essere molto limitata – la composizione isotopica dell'acqua nelle comete è molto diversa da quella sulla Terra", dice il professor Artem R. Oganov di Skoltech, co-autore dello studio.
Se l'acqua non è venuta dall'alto, deve essere venuta dal basso, dal profondo del mantello o anche dal nucleo della Terra. Ma come poteva sopravvivere ai primi 30 milioni di anni o giù di lì nella storia della Terra, quando il pianeta era molto caldo ed era incessantemente bombardato da asteroidi e ha persino subito una collisione catastrofica con un pianeta delle dimensioni di Marte? Questi processi devono aver evaporato parte della Terra e ciò che è rimasto è stato fuso almeno diverse centinaia di chilometri più in basso, rimuovendo l'acqua. Fino ad ora, gli scienziati non conoscevano un composto stabile in grado di bloccare gli atomi di idrogeno e ossigeno all'interno del pianeta abbastanza a lungo e poi rilasciarli come acqua.
Oganov ha collaborato con un gruppo di scienziati guidati dal professor Xiao Dong dell'Università di Nankai, in Cina, e insieme hanno usato il metodo di previsione della struttura cristallina di Oganov USPEX per scoprire un composto che si adatta al conto: l'idrosilicato di magnesio, con la formula Mg2SiO5H2, che è oltre l'11% di acqua in peso ed è stabile a pressioni di oltre 2 milioni di atmosfere e a temperature estremamente elevate. Tali pressioni esistono nel nucleo della Terra. Ma tutti sanno che il nucleo è una palla di metallo – per lo più ferro – quindi gli elementi che compongono l'idrosilicato di magnesio semplicemente non sono disponibili lì, giusto?
"Sbagliato. All'epoca non c'era un nucleo. All'inizio della sua esistenza, la Terra aveva una composizione più o meno uniformemente distribuita, e ci vollero circa 30 milioni di anni da quando il pianeta si formò per filtrare fino al suo centro, spingendo i silicati in quello che ora chiamiamo il mantello", ha spiegato Oganov.
Ciò significa che per 30 milioni di anni, parte dell'acqua della Terra è stata immagazzinata in modo sicuro sotto forma di idrosilicati alle profondità del nucleo attuale. Durante quel periodo la Terra ha resistito alla fase più pesante del bombardamento di asteroidi. Quando il nucleo si formò, gli idrosilicati erano stati spinti in aree a bassa pressione, dove divennero instabili e decomposti. Questo ha prodotto l'ossido di magnesio e il silicato di magnesio che compongono il mantello oggi, e l'acqua, che ha iniziato il suo viaggio di 100 milioni di anni in superficie.
"Nel frattempo, la Terra veniva colpita da asteroidi e persino da un protopianeta, ma l'acqua era sicura, perché non si era ancora fatta strada verso la superficie", aggiunge Oganov.
I ricercatori dicono che il loro studio mostra quanto a volte possano essere difettose le intuizioni umane. Nessuno aveva pensato ai silicati alle pressioni del nucleo, perché gli atomi costituenti presumibilmente non si trovavano lì. E anche allora, le persone non si sarebbero aspettate che un idrosilicato fosse stabile in condizioni centrali, perché si credeva che le temperature e le pressioni estreme "spremessero" l'acqua dal minerale. Eppure una modellazione accurata basata sulla meccanica quantistica ha dimostrato il contrario.
"È anche una storia su come un materiale che esisteva per un breve momento sulla scala temporale planetaria ha avuto un impatto enorme sull'evoluzione della Terra", continua lo scienziato dei materiali. "Questo è in contrasto con la solita mentalità geologica, ma vieni a pensarci, un biologo evoluzionista, per il quale gran parte di ciò che vediamo oggi si è evoluto da specie ormai estinte, non sarebbe sorpreso, vero?"
La nuova ipotesi dell'origine dell'acqua ha implicazioni anche per altri corpi celesti. "Marte, ad esempio, è troppo piccolo per produrre le pressioni necessarie per stabilizzare l'idrosilicato di magnesio", dice Oganov. "Questo spiega perché è così secco e significa che qualsiasi acqua esista su Marte, probabilmente proviene da comete".
Oppure, considera i pianeti al di fuori del nostro sistema solare. "Per essere abitabile, un esopianeta deve avere un clima stabile, che richiede sia continenti che oceani. Quindi ci deve essere acqua, ma non troppo", aggiunge Xiao Dong. "C'era una stima che per un pianeta simile alla Terra di qualsiasi dimensione per essere abitabile, non dovrebbe avere più dello 0,2% di acqua in peso. I nostri risultati implicano che per i grandi pianeti simili alla Terra, chiamati "super-Terre", la storia è probabilmente diversa: in tali pianeti, le pressioni che stabilizzano l'idrosilicato di magnesio devono esistere anche al di fuori del nucleo, bloccando grandi quantità di acqua a tempo indeterminato. Di conseguenza, le super-Terre possono avere un contenuto d'acqua molto maggiore e sostenere ancora l'esistenza di continenti esposti".
Ha anche implicazioni per la magnetosfera di un pianeta. "A temperature superiori a 2.000 gradi Celsius,l'idrosilicato di magnesio condurrà elettricità, con protoni di idrogeno che fungono da portatori di carica. Ciò significa che il nostro idrosilicato contribuirà ai campi magnetici delle super-Terre", spiega Oganov, aggiungendo che l'elenco delle conseguenze della nuova ipotesi continua all'infinito.