COME NACQUERO GLI OCEANI. L'acqua venuta dallo spazio. I mari
furono creati da una pioggia di comete
di 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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