Una stella come il Sole aumenta progressivamente la sua radiazione con il tempo. Questo fatto apparentemente contrasta con la storia terrestre, che parla di oceani liquidi anche in tempi lontani in cui con la atmosfera attuale la Terra sarebbe rimasta una sfera ghiacciata o poco di più. La soluzione sta nelle condizioni diverse del nostro pianeta durante l’Archeano, in particolare della sua atmosfera. Ma le ipotesi di una pressione molto maggiore di quella odierna sono state smentite da studi recenti. Quindi la partita si gioca tutta sulle possibilità della Terra di allora di assorbire più calore rispetto ad oggi e sulla presenza in quantità molto maggiori di gas serra come metano e CO2 rispetto a quelle attuali.
LA TERRA DELL'ARCHEANO: OCEANI LIQUIDI CON UN SOLE DEBOLE. La storia antica della Terra presenta un problema non di poco conto: come fa vedere il grafico qui accanto, con l’atmosfera attuale e una irradiazione solare più debole il pianeta sarebbe stato irrimediabilmente coperto dal ghiaccio fino a circa 1 miliardo e mezzo di anni fa. Invece la vita era già presente almeno 3.8 miliardi di anni fa, quindi oltre 2 miliardi di anni prima e sicuramente esistevano oceani liquidi.
È il cosiddetto “paradosso del Sole debole”: Sagan e Mullen nel 1972 dimostrarono che il Sole sta aumentando la sua potenza irradiativa perché nel suo nucleo aumenta la densità a cusa della fusione degli atomi di idrogeno per produrre atomi di elio [1].
Come se ne esce?
Le soluzioni sono due:
- una albedo minore, cioè la capacità della Terra di assorbire il calore solare maggiore di quella odierna
- una maggior percentuale di gas - serra nell’atmosfera
Per quanto riguarda la questione albedo Minik T. Rosing insieme ad altri autori ha proposto nel 2010 due condizioni importanti che potrebbero aver fatto sì che la Terra assorbisse più calore di quello che può assorbire adesso [2]:
- i mari assorbono più energia delle terre emerse e a quell’epoca i continenti erano significativamente meno estesi di oggi
- la mancanza di nuclei di condensazione biologici nell’atmosfera, per cui la copertura nuvolosa era minore
La questione dei gas atmosferici è più complessa. Innanzitutto bisogna notare che a partire da 2.5 miliardi di anni fa ci sono stati dei cambiamenti significativi nella loro composizione, modificando totalmente l’ambiente subaereo: l’atmosfera, che fino a quel momento era riducente, si è trasformata in ossidante grazie all’aumento dell’ossigeno. Ci sono ampie prove di questo, in particolare i (pochi) sedimenti di allora ancora visibili, nei quali sono diffusi minerali che non si possono assolutamente formare nelle condizioni subaeree attuali. Prima o poi parlerò su Scienzeedintorni di quello che è conosciuto come il Grande Evento Ossidativo.
Quindi il tutto verte su composizione e pressione dell’atmosfera dell’Archeano, l’eone conclusosi 2 miliardi e mezzo di anni fa con l’inizio dell’eone paleoproterozoico.
Nell’atmosfera archeana dovevano fare da padrone il CO2 (come su Venere e Marte ancora oggi) e l’azoto. Inoltre, con le condizioni riducenti dell’epoca, poteva essere presente anche il metano, sia pure in piccole quantità (lo abbiamo tuttora nell’atmosfera marziana, dove processi geologici continuano a produrlo). Insomma, prima del grande evento ossidativo l’atmosfera era priva di ossigeno.
Fino a qualche anno fa era opinione diffusa che la pressione fosse a quei tempi molto maggiore di quella odierna e la Terra era più calda di come lo sarebbe stata con l’atmosfera attuale erano concentrate sulla presenza di gas serra in forte quantità come il metano [3] o di CO2 e di una pressione che soltanto per l’Azoto era tra una volta e mezzo e due volte e mezzo superiore a quella attuale: ne sarebbe risultato un aumento medio rispetto alle temperature ottenibili con l’atmosfera odierna di quasi 5 gradi [4].
GLI STUDI SULLA PRESSIONE ATMOSFERICA NELL’ARCHEANO. Tutte queste idee si basavano su modelli o intuizioni, però di dati reali sulla pressione atmosferica dell’epoca non ce n’erano. Questi dati hanno finalmente incominciato ad arrivare negli ultimi anni. Il risultato è che l’ipotesi che la Terra dell’archeano avesse una pressione atmosferica molto superiore a quella odierna è sbagliato.
Nel 2012 un gruppo di ricercatori esaminò le impronte di gocce di pioggia nei tufi sudafricani di Ventersdorp, vecchi di 2.7 miliardi di anni. Utilizzarono degli esperimenti su ceneri vulcaniche fresche e alterate simili a quelle sudafricane, facendovi cadere delle gocce di pioggia, dimostrando che la pressione atmosferica sulla superficie terrestre dell’epoca non poteva essere molto più elevata di quella odierna (al massimo il 10% in più): i dati non possono arrivare a delle conclusioni molto precisa ma, insomma, la pressione totale doveva essere compresa fra 0,5 e 1,1 atmosfere, quindi molto al di sotto di quanto ipotizzato fino ad allora [5].
Questo valore è stato confermato l’anno dopo, quando un gruppo internazionale, studiando la composizione isotopica di azoto e argon in 3 quarzi idrotermali di età compresa fra 3 e 3,5 miliardi di anni fa raccolti in Australia, ha mostrato che la pressione parziale dell’azoto non eccedeva gli 1.1 bar ma che addirittura poteva essere non superiore a 0,5 bar, e possedeva una composizione isotopica simile a quella attuale. Quanto al CO2, fu stimato un valore massimo di 0,7 bar. Quindi, evitando di considerare gli apporti minimi di altri gas come l’argon, 3 miliardi di anni fa la pressione atmosferica doveva essere compresa fra 0,5 e 1,2 atmosfere [6].
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| Microfotografia delle bolle di gas contenute nei basalti di Boongal, da [7] |
Un lavoro appena uscito ha analizzato le bolle di gas contenute nelle lave basaltiche di Boongal, al solito in Australia, nel Pilbara, anche queste vecchie di 2,7 miliardi di anni [7]. I basalti di Boongal, deposti più o meno al livello del mare, sono ben conosciuti ed inquadrati dal punto di vista tettonico.
Soprattutto i ricercatori hanno trovato alcune colate che presentano le condizioni ideali per studiare la paleobarometria attraverso le dimensioni delle bolle, una volta accertato che i vari processi sedimentari e tettonici che queste rocce hanno subìto nella loro storia non le hanno deformate. La dimensione delle bolle:
- nella parte alta della colata è influenzata dalla sola pressione atmosferica
- alla base della colata è controllata sia dalla pressione atmosferica che dal peso della lava soprastante
- è indipendente dal valore assoluto della quantità di gas contenuta nel magma
Così, conoscendo la densità della lava basaltica e il suo spessore, è possibile dedurre la pressione atmosferica se la colata è sottile e se non è stata raggiunta da altre lave prima del suo raffreddamento.
Ebbene, secondo questi risultati, non solo la pressione atmosferica dell’epoca doveva essere inferiore a 1 atmosfera, ma il valore più probabile era intorno a 0,5.
PRESSIONE ATMOSFERICA NELL’ARCHEANO E TEMPERATURE DELLA TERRA. Ma allora come se ne esce?
Direi tutto sommato molto bene: nell’atmosfera attuale la pressione parziale dell’azoto è di circa 0,78 atmosfere, quella dell’ossigeno 0,12. Gas serra come metano e CO2 sono presenti in quantità trascurabili: anzi, il metano teoricamente non può resistere in una atmosfera ossidante come la nostra, mentre la pressione del CO2 è di appena 0.0004 atmosfere.
Quindi con “un pò” di CO2 (anche solo 0,2 atmosfere, che è pur sempre un valore 500 volte superiore all’attuale!!), un pò di metano che all’epoca in una atmosfera riducente poteva tranquillamente persistere, e considerando la maggiore capacità di assorbimento del calore solare da parte del nostro pianeta, si capisce come mai anche con un Sole molto più debole di quello attuale la Terra è riuscita a mantenere acqua liquida.
C’è anche da notare il rapporto fra le due fasi del Grande Evento Ossidativo e le glaciazioni che vi hanno più o meno corrisposto, segno che l’ossidazione dell’atmosfera ha diminuito l’effetto - serra e questo può essere dovuto sia alle difficoltà che le molecole di metano hanno trovato nella nuova situazione, sia alla diminuzione del CO2 a causa della comparsa delle forme di vita fotosintetiche e di una maggiore alterazione delle rocce continentali. Ma questa è un’altra storia che prima o poi vorrei raccontare.
Comunque, queste osservazioni contengono un monito evidente per l'oggi, perché, guardando la composizione atmosferica, sono l'ennesima dimostrazione dei rischi connessi alle emissioni antropiche di gas - serra; parlando invece della albedo, la perdita di superfici ghiacciate e quindi bianche a favore di acque e terre emerse, decisamente più scure, aumenta l'assorbimento dei raggi solari alle alte latitudini.
[1] Sagan e Mullen (1972). Earth and Mars: Evolution oE Atmospheres and Surface Temperatures. Science 177, 52-56
[2] Rosing et al (2010) No climate paradox under the faint early Sun. Nature 464, 744 - 747
[3] Kasting & Siefert (2002). Life and the evolution of Earth’s atmosphere. Science 296, 1066–1068
[4] Goldblatt et al. (2009). Nitrogen-enhanced greenhouse warming on early Earth. Nature Geosci. 2, 891–896
[5] Som et al (2012) Air density 2.7 billion years ago limited to less than twice modern levels by fossil raindrop imprints. Nature 484, 359–362
[6] Marty et al (2013) Nitrogen isotopic composition and density of the Archean atmosphere. Science 342, 101–104
[7] Som et al (2016) Earth’s air pressure 2.7 billion years ago constrained to less than half of modern levels Nat. Geosci. DOI: 10.1038/NGEO2713
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