Sotto pressione: il ruolo del mantello terrestre sul clima Understand article

Tradotto da: Paolo Sudiro. Le ricerche sugli ossidi di ferro in condizioni estreme gettano nuova luce sull’interno della Terra e il suo ruolo sul clima.

Il clima della Terra è influenzato dai gas nell’atmosfera, come biossido di carbonio, vapore d’acqua e metano. Invece è meno evidente il ruolo delle rocce che si trovano in profondità sotto la superficie terrestre. Questo non è assolutamente sorprendente: eseguire misure dirette dell’interno della Terra è difficile, come anche riprodurre sperimentalmente le condizioni di alta pressione e temperatura che si trovano a quelle profondità. Comunque, un gruppo internazionale di scienziati ha recentemente ricostruito il comportamento degli ossidi di ferro all’interno del mantello terrestre, utilizzando attrezzature di ultima generazione allo European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)^w1 di Grenoble, in Francia (Bykova et al, 2016). Grazie alle informazioni ottenute, i ricercatori stanno iniziando a capire il ruolo di questi composti chimici sul clima.

In natura gli ossidi di ferro sono presenti in molte forme differenti. “L’ossido di ferro più comune è l’ematite, Fe₂O₃, che è il prodotto finale di vari processi geologici e la fonte principale di ferro per la nostra civiltà”, spiega la componente del gruppo Elena Bykova, dell’Università di Bayreuth, in Germania. In anni recenti gli scienziati hanno scoperto altri ossidi di ferro, come ad esempio Fe₄O₅, Fe₅O₆ and Fe₁₃O₁₉, che si formano anche ad alte pressioni e temperature.

Studi geochimici precedenti si erano concentrati sull’ematite perché, nonostante la sua semplice formula chimica, subisce misteriosi cambiamenti strutturali ed elettronici ad alte pressioni e temperature. Tuttavia, fino a poco tempo fa, molti studi non erano riusciti a fornire un quadro coerente del comportamento di questo minerale ad alta pressione.

Elena e i suoi colleghi hanno utilizzato una cosiddetta incudine di diamante (figura 1) per sottoporre un campione di ematite ad una pressione superiore a 67 GPa e riscaldarlo a oltre 2400°C. Utilizzando la diffrazione a raggi X, gli scienziati hanno dimostrato che a queste condizioni, che corrispondono a quelle trovate a una profondità di 1500 km sotto la superficie terrestre, l’ematite si decompone e forma Fe5O7, un ossido di ferro prima sconosciuto, rilasciando ossigeno:

10 Fe₂O₃ → 4 Fe₅O₇ + O₂↑

Esperimenti ad alta pressione con un altro ossido di ferro presente in natura, Fe₃O₄, hanno rivelato che anche questo si decompone quando viene riscaldato a pressioni superiori a circa 70 GPa (che rappresentano le condizioni intorno ai 1670 km di profondità), formando Fe₂₅O₃₂ e liberando ossigeno:

25 Fe₃O₄ → 3 Fe₂₅O₃₂ + 2 O₂↑

Questi risultati hanno conseguenze importanti non solo per la chimica ad alta pressione, ma anche per la geologia. Una delle nostre fonti principali di ferro sono i grandi depositi di rocce sedimentarie noti come formazioni di ferro zonato (banded iron formations, o BIF), che sono composte fino al 50% di ematite e magnetite (Fe₃O₄). Le BIF si trovano in tutti i continenti e possono raggiungere spessori di centinaia di metri ed estendersi per centinaia di chilometri. Deposte sul fondo degli oceani circa due miliardi (10⁹) di anni fa, da allora sono state spinte dai movimenti delle placche tettoniche fino a 2880 km di profondità sotto la superficie terrestre, al limite tra nucleo e mantello. I risultati dello studio di Elena e dei suoi colleghi suggeriscono che, durante questo processo di subduzione, l’ematite e la magnetite nei BIF si decompongano producendo ossigeno (figura 2).

Le quantità di ossigeno coinvolte sono enormi: basandosi sulla velocità di subduzione stimata delle BIF, la decomposizione della sola ematite potrebbe avere prodotto in quell’intervallo di tempo da 8 a 10 volte la massa di ossigeno dell’atmosfera moderna. Elena e i suoi colleghi ritengono che, alle condizioni presenti nel mantello inferiore terrestre, questo ossigeno sarebbe esistito allo stato liquido. Essi suggeriscono che nel corso del tempo ciò abbia prodotto un enorme – e precedentemente mai immaginato –  serbatoio di fluidi ricchi di ossigeno nelle profondità del pianeta.

Questa idea affascinante significa anche che i ricercatori dovranno radicalmente rivedere le loro idee sui processi geochimici nell’interno della Terra. In presenza di così tanto ossigeno, gli stati di ossidazione degli elementi nel mantello inferiore – e quindi le reazioni chimiche tra loro – sarebbero molto diverse da quelle che gli scienziati avevano immaginato. Inoltre, mentre si muove, il fluido ricco di ossigeno trasporterà altri composti, inclusi i molti elementi in tracce presenti all’interno della Terra, producendo una distribuzione chimica molto diversa da ciò che si era ritenuto in precedenza. Secondo Leonid Dubrovinsky, il capo del gruppo che ha eseguito lo studio, “Gli effetti di biossido di carbonio, vapore d’acqua e altri gas serra sull’atmosfera sono discusse ampiamente, ma il contributo dei processi geochimici profondi sulla composizione dell’atmosfera hanno ricevuto finora poca attenzione. Qualsiasi modello globale del passato o futuro della Terra, inclusi i modelli di evoluzione del nostro clima, dovrà tenere in considerazione queste nuove scoperte”.

References

• Bykova E et al (2016) Structural complexity of simple Fe₂O₃ at high pressures and temperatures. Nature Communications 7: 10661. doi: 10.1038/NCOMMS10661

Web References

• w1 – Lo European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) è una delle sorgenti di raggi X più potenti al mondo. Ogni anno migliaia di scienziati vengono allo ESRF per condurre esperimenti di scienza dei materiali, biologia, medicina, fisica, chimica, scienze ambientali e anche paleontologia e beni culturali.
  • ESRF è un membro di EIROforum^w2, l’editore di Science in School.
• w2 – EIROforum è una collaborazione tra otto delle più grandi organizzazioni di ricerca intergovernative europee, che condividono le loro risorse, strutture e competenze per aiutare la scienza europea a sviluppare il suo pieno potenziale. Come parte delle attività educative e di informazione, EIROforum pubblica Science in School.

Resources

• Per saperne di più sulla tecnica della diffrazione a raggi X, vedi:
  • Haddow M (2012) La nuova definizione di cristallo – o come vincere un Premio Nobel. Science in School 24.
  • Cornuéjols D (2009) Biological crystals: at the interface between physics, chemistry and biology. Science in School 11: 70-76.

Institutions

Author(s)

Montserrat Capellas è un comunicatore scientifico anziano alla European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble, Francia.

Review

Questo articolo descrive come, sotto pressioni e temperature molto alte, simili alle condizioni dell’interno terrestre, si formino ossidi di ferro in precedenza sconosciuti. La formazione di questi composti, identificati con tecniche di ultima generazione, rilascia ossigeno – una scoperta che ha conseguenze importanti per i modelli sull’interno della Terra e il clima.

L’articolo potrebbe essere usato come parte di una lezione sulla struttura interna della Terra, o sull’evoluzione del clima. Domande di approfondimento e comprensione potrebbero essere:

• Qual è la differenza tra gli ossidi di ferro menzionati nell’articolo?
• Spiegate come e perché la temperatura e la pressione possono influire sulla struttura cristallina.
• Descrivete il processo di subduzione.
• Che informazioni otteniamo dalla diffrazione a raggi X?

Monica Menesini, Liceo A Vallisneri, Lucca, Italia

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