Dentro la Terra: dalla crosta al nucleo

La mattina dell'8 ottobre 1909, un sismologo croato di nome Andrija Mohorovicic entrò nell'Osservatorio Meteorologico di Zagabria e trovò i rulli del suo sismografo coperti dalla traccia di un terremoto. Non era una scossa grande; aveva colpito la regione di Pokupsko, a circa quaranta chilometri a sud-est della città. Ma quegli scarabocchi sulla sua carta contenevano qualcosa di strano. Nelle stazioni a una certa distanza dall'epicentro, lo stesso tipo di onda sismica sembrava arrivare due volte, un impulso visibilmente più rapido dell'altro, come se un singolo segnale si fosse spezzato in due e avesse corso lungo percorsi diversi.

Mohorovicic trascorse il resto di quell'anno a capire perché. L'unica spiegazione coerente era che alcune delle onde si fossero immerse in uno strato di roccia più profondo e più denso, avessero accelerato e fossero riemerse prima delle loro cugine più lente, che avevano viaggiato attraverso il materiale più superficiale soprastante. Aveva, senza mai sollevare una pala, individuato un confine all'interno della Terra. Quel confine porta ancora il suo nome, abbreviato dai geologi stanchi di pronunciarlo come Moho. Separa la crosta dal mantello, e la sua scoperta inaugurò un quarto di secolo in cui un pugno di scienziati, leggendo nient'altro che i tremori di terremoti lontani, ricostruirono l'architettura di un pianeta che non avrebbero mai potuto vedere.

Questo articolo parla di quell'architettura, e del fatto sorprendente che la conosciamo affatto. Il centro della Terra si trova a oltre 6.000 chilometri sotto i vostri piedi, più caldo della superficie di molte stelle e schiacciato da pressioni che sfidano l'intuito. Non possiamo andarci, e non possiamo perforarlo. Allora come siamo arrivati a parlare con tanta sicurezza di una crosta, di un mantello, di un nucleo esterno liquido e di uno interno solido?

Leggere un pianeta dai suoi tremori

Quasi tutto ciò che sappiamo dell'interno profondo della Terra non viene dalle perforazioni, ma dall'ascolto. Quando un grande terremoto si scatena, emette onde sismiche che si irradiano verso l'esterno in tutte le direzioni, compreso dritto in basso attraverso il corpo del pianeta. Queste onde si presentano in due tipi principali che si comportano in modo molto diverso, e quella differenza è lo strumento più potente che la geofisica abbia mai avuto.

Le più veloci delle due sono le onde P, ovvero onde primarie, che comprimono e dilatano il materiale che attraversano come un'onda sonora che si muove nell'aria. Fondamentalmente, le onde P attraversano allo stesso modo solidi, liquidi e gas. Le più lente onde S, ovvero onde secondarie, fanno scorrere lateralmente il materiale, e uno scorrimento laterale è qualcosa che un liquido semplicemente non può sostenere. Le onde S si muovono solo attraverso i solidi, arrestandosi di colpo a ogni strato liquido.

Questo offre ai sismologi un modo per radiografare il pianeta. Collocando sismografi nelle stazioni di tutto il globo e registrando esattamente quando ciascun tipo di onda arriva, e da quale direzione, possono ricostruire i percorsi seguiti dall'energia. Dove le onde accelerano, la roccia deve essere diventata più densa. Dove le onde S svaniscono del tutto, deve esserci del liquido. Dove le onde si piegano bruscamente, hanno attraversato un confine tra due materiali. Il modello dell'interno della Terra è stato assemblato a partire da questi tempi di arrivo, pazientemente, nel corso di decenni, nel modo in cui un radiologo legge le ombre su una lastra.

I quattro strati, disegnati su una sola pagina

Disegnata dall'esterno verso l'interno, la Terra ha quattro strati principali. C'è una crosta sottile e fragile in superficie; al di sotto un mantello spesso e perlopiù solido che scorre come uno stucco estremamente rigido nei tempi geologici; più sotto un nucleo esterno liquido di ferro e nichel; e nel cuore stesso un nucleo interno solido, anch'esso di ferro e nichel, congelato dalla pressione pur essendo rovente. Questa è la sezione standard stampata in ogni libro di testo di geografia e geologia, e ciascuno dei suoi confini è stato scoperto leggendo le onde sismiche.

Le proporzioni sono umilianti. La crosta, l'unica parte che abbiamo mai toccato, è di gran lunga la pellicola più sottile, e quasi tutta la massa del pianeta giace nel mantello e nel nucleo al di sotto di essa. Comprendere la Terra significa, in un senso reale, comprendere un luogo che nessuno di noi raggiungerà mai.

Una crosta di due tipi: oceano e continente

La crosta non è un guscio uniforme. Si divide nettamente in due tipi distinti, e la differenza tra essi governa la caratteristica più elementare del volto del nostro pianeta, ovvero dove si trovano i mari e dove si solleva la terraferma.

La crosta oceanica è sottile, di norma spessa solo circa cinque-dieci chilometri, ed è densa, scura e chimicamente basaltica, la stessa famiglia di rocce che si troverebbe in una colata lavica hawaiana. È anche geologicamente giovane, perché il fondo oceanico viene continuamente creato in corrispondenza delle dorsali medio-oceaniche e riciclato di nuovo nel mantello. La crosta continentale, al contrario, è spessa, spesso trenta-quaranta chilometri e molto di più sotto le catene montuose, ed è più leggera e di composizione complessivamente granitica. È anche antica, con alcune parti che risalgono a miliardi di anni fa. Poiché la crosta continentale è meno densa, galleggia più in alto sul mantello, come una zattera spessa che cavalca al di sopra delle placche oceaniche più sottili e pesanti, e quel semplice contrasto di densità è il motivo per cui i continenti stanno al di sopra del livello del mare e i bacini oceanici al di sotto di esso.

Il mantello e lo strato molle sotto le placche

Sotto la Moho si trova il mantello, un guscio di roccia silicatica spesso all'incirca 2.900 chilometri. È il gigante della struttura terrestre e rappresenta qualcosa come l'84 percento del volume totale del pianeta. Quasi tutto ciò che chiamiamo con disinvoltura "la Terra" è, in termini di massa, mantello.

Qui dobbiamo affrontare l'idea sbagliata più ostinata di tutta la geologia, la convinzione che il mantello sia un mare di lava fusa. Non lo è. Il mantello è in modo schiacciante roccia solida. È straordinariamente caldo, di certo, e nel corso di milioni di anni può scorrere e mescolarsi in lente correnti convettive, deformandosi in modo plastico così come un ghiacciaio o un blocco di catrame freddo si deformano se si aspetta abbastanza a lungo. Ma su qualsiasi scala di tempo umana si comporta come un solido rigido. Solo in sacche specifiche e limitate, perlopiù vicino alla superficie dove la pressione cala, la roccia del mantello arriva a fondersi per produrre il magma che alimenta i vulcani. La lava incandescente che vediamo in superficie è l'eccezione, non la regola, di ciò che giace al di sotto.

All'interno del mantello superiore vive una distinzione importante dal punto di vista meccanico. La porzione più alta del mantello, fredda e rigida, si comporta meccanicamente come un tutt'uno con la crosta soprastante, formando un guscio rigido. Al di sotto di essa si trova l'astenosfera, uno strato più caldo e più debole di roccia del mantello, abbastanza vicino al suo punto di fusione da essere molle e lentamente deformabile. È la superficie lubrificata sopra la quale il guscio rigido sovrastante può scivolare, e quella distinzione, coperchio rigido sopra strato molle, si rivela la chiave della tettonica delle placche.

Il confine di Gutenberg e un nucleo di ferro liquido

Nel 1914, il sismologo tedesco-americano Beno Gutenberg individuò con precisione il confine interno più drammatico di tutti, a una profondità di circa 2.900 chilometri, dove finisce il mantello e comincia il nucleo. Le prove erano impressionanti. Oltre un certo angolo da qualsiasi grande terremoto, le onde S semplicemente non comparivano, e le onde P venivano piegate bruscamente e arrivavano in ritardo. La sparizione delle onde S era l'argomento decisivo, perché esse non possono attraversare il liquido. Il mantello poggiava su qualcosa di fuso.

Quel qualcosa è il nucleo esterno, un guscio di ferro e nichel liquidi spesso all'incirca 2.200 chilometri, a temperature attorno ai 4.000-5.500 gradi Celsius. Non è un oceano immobile di metallo, ma uno irrequieto, agitato dal calore che fuoriesce dal basso in grandi vortici convettivi. Quei vortici di metallo liquido elettricamente conduttore agiscono come una dinamo autosostenuta, e generano il campo magnetico terrestre, lo scudo invisibile che devia gran parte del vento solare e fa puntare l'ago di una bussola verso nord. Il campo che guida le navi e protegge l'atmosfera è, in fin dei conti, il prodotto del ferro fuso che sciaborda a migliaia di chilometri sotto il fondale marino.

Inge Lehmann e il cuore solido all'interno

Per due decenni dopo Gutenberg si pensò che il nucleo fosse interamente liquido. Poi, nel 1936, la sismologa danese Inge Lehmann pubblicò un articolo dal titolo scarno e ormai famoso P' (pronunciato "P primo"). In esso affrontava un enigma. C'è una regione sul globo, opposta a un dato terremoto, chiamata zona d'ombra, dove il nucleo esterno liquido piega le onde P così fortemente che esse non dovrebbero arrivare affatto. Eppure deboli onde P spuntavano ugualmente lì, dove la teoria diceva che la superficie sarebbe dovuta rimanere silenziosa.

La spiegazione di Lehmann era elegante. Se, in profondità all'interno del nucleo esterno liquido, vi fosse stato un nucleo interno più piccolo, più denso e solido, allora alcune onde P lo avrebbero colpito, si sarebbero riflesse e rifratte sulla sua superficie e sarebbero state reindirizzate nella zona d'ombra dove nessuna onda diretta poteva arrivare. I deboli segnali erano echi provenienti da una sfera nascosta di metallo solido al centro del pianeta. La sua interpretazione fu confermata dal sismologo Keith Bullen nel 1940, e il modello a quattro strati fu completo. Il nucleo interno è solido non perché sia freddo, dato che potrebbe essere più caldo dello strato liquido che lo circonda, ma perché la pressione al centro della Terra è così immensa da costringere il ferro a congelare nonostante il calore.

Quanto è caldo, quanto è profondo, e perché non possiamo semplicemente perforarlo

L'interno della Terra diventa nettamente più caldo con la profondità, ma non secondo una semplice linea retta. Vicino alla superficie la temperatura sale secondo il gradiente geotermico, all'incirca 25-30 gradi Celsius per ogni chilometro che si scende. Se quel ritmo si mantenesse fino in fondo, il centro sarebbe impossibilmente caldo, decine di migliaia di gradi. Non si mantiene. Il gradiente si appiattisce drasticamente con la profondità, così che il centro stesso della Terra si attesta attorno ai 5.200 gradi Celsius, paragonabile alla superficie del Sole, anziché alle cifre assurde che un gradiente costante predirebbe. La pressione, intanto, sale inesorabilmente lungo tutto il percorso verso il basso, raggiungendo milioni di volte la pressione atmosferica al nucleo, che è esattamente ciò che permette al rovente nucleo interno di rimanere solido.

Date tutte queste deduzioni a distanza, ci si potrebbe chiedere perché non si scenda semplicemente perforando per dare un'occhiata. La risposta onesta è che ci abbiamo provato, e abbiamo appena scalfito la superficie. Il foro più profondo mai trivellato nel pianeta è il pozzo superprofondo di Kola, nella penisola russa di Kola, che nel 1989 aveva raggiunto i 12.262 metri, poco più di dodici chilometri. È un autentico trionfo dell'ingegneria, eppure rappresenta meno dello 0,2 percento della distanza dal centro, e la roccia si è fatta così calda e così plastica che il progetto si è arenato. La perforazione, in definitiva, non è il modo in cui conosciamo l'interno della Terra, e non lo sarà mai. La sismologia lo è.

Il guscio che si spezzerà in placche

Un ultimo tassello lega insieme la struttura e indica il prossimo capitolo della storia. Abbiamo parlato della crosta e della parte rigida superiore del mantello che si comportano come un'unica unità meccanica. Quel guscio combinato ha un nome. È la litosfera, lo strato esterno della Terra freddo, fragile e rigido, formato dalla crosta più la parte più alta del mantello, che cavalca sulla morbida astenosfera al di sotto.

La litosfera è importante perché è la litosfera, non la crosta da sola, a essere fratturata nelle grandi placche tettoniche le cui lente collisioni e separazioni costruiscono montagne, aprono oceani e scatenano terremoti. La piccola scossa croata di Mohorovicic del 1909, e ogni scossa da allora, è in ultima analisi un segnale proveniente da questo guscio irrequieto in movimento. Le stesse onde che hanno rivelato gli strati del pianeta sono il pianeta che ci dice che la sua superficie è viva.

Punti chiave

La Terra è costruita di quattro strati annidati, dall'esterno verso l'interno: una crosta sottile e fragile divisa in basalto oceanico denso e giovane e in granito continentale spesso e antico; un vasto mantello solido di roccia silicatica che costituisce circa l'84 percento del volume del pianeta e scorre plasticamente nei tempi geologici senza essere lava fusa; un nucleo esterno liquido di ferro e nichel il cui metallo convettivo genera il campo magnetico; e un nucleo interno solido di ferro e nichel, congelato dalla pressione schiacciante anche a circa 5.200 gradi Celsius. Tutto questo lo sappiamo non dalle perforazioni, che non hanno mai raggiunto nemmeno lo 0,2 percento del cammino verso il basso, ma dalle onde sismiche, sfruttando il fatto che le onde P attraversano sia i solidi sia i liquidi mentre le onde S si arrestano al liquido. Il quadro a quattro strati è stato assemblato quasi interamente leggendo i terremoti, dal confine crosta-mantello di Mohorovicic nel 1909, attraverso il nucleo esterno liquido di Gutenberg nel 1914, fino al nucleo interno solido di Lehmann nel 1936. E il guscio esterno rigido fatto di crosta più la parte più alta del mantello, la litosfera, è il tassello che la prossima parte della storia spezza nelle placche tettoniche in movimento.