La litosfera terrestre è composta da sette grandi placche tettoniche e da alcune più piccole. La teoria di tettonica a zolle che descrive come si muovono queste placche ha circa 50 anni. Ma non c'è mai stata una vera comprensione di come questo sistema si sia sviluppato e di come il guscio della Terra si sia diviso in placche separate e abbia iniziato a muoversi.
Ora un gruppo di ricercatori ha una possibile spiegazione.
Nei suoi primi giorni, la Terra era una palla fusa, mantenuta calda da frequenti impatti con altri corpi nel giovane e caotico Sistema Solare. Inevitabilmente, cominciò a raffreddarsi. Naturalmente, l'esterno si è raffreddato per primo, formando una superficie solida sul mantello fuso. C'è un certo consenso scientifico su questo, che mostra che la crosta era inizialmente un pezzo monolitico e che il mantello era almeno qualche centinaio di gradi più caldo del mantello odierno.
La domanda chiave in questa comprensione delle placche della Terra è: cosa ha causato la rottura dell'esterno in placche?
Un grafico delle più grandi placche tettoniche della Terra. Credito immagine: per mappa: USGSDescrizione:Scott Nash – Questo file è stato derivato da: Tectonicplates.png, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=535201
Un team di ricercatori pensa di poter avere la risposta. Il loro lavoro è presentato in un documento intitolato “ Rompere il guscio della Terra in una rete globale di placche. L'autore corrispondente per il team è il Dr. Alexander Webb della Divisione di Scienze della Terra e dei Pianeti e Laboratorio per la Ricerca Spaziale presso l'Università di Hong Kong. Il primo autore è il professor Chunan Tang della Dalian University of Technology. Il nuovo articolo è pubblicato sulla rivista Nature Communications.
In questo lavoro, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni matematiche per cercare di rispondere alla domanda. Il team di ricercatori ha proposto che il guscio della Terra si surriscaldasse di nuovo dopo essersi solidificato, causandone l'espansione e la frattura. Ognuna delle simulazioni impiegate dal team ha monitorato lo stress e la deformazione che il guscio in espansione termica avrebbe subito in diversi scenari.
Il raggio della Terra è di circa 6371 km (3960 miglia) e il loro lavoro ha mostrato che il guscio può resistere a circa 1 km (0,62 miglia) di espansioni prima di fratturarsi. Una volta che si espande oltre 1 km, inizia a fratturarsi, portando al sistema di placche che la Terra ha ora.
Un'istantanea di un modello del nuovo lavoro, che mostra le ultime fasi di crescita e coalescenza di una nuova rete di frattura globale. Le fratture sono in nero/ombra e i colori mostrano le sollecitazioni (il colore rosa indica lo stress da trazione, il colore blu indica lo stress da compressione). Credito immagine: Tang et al, 2020.
I risultati del loro lavoro non sembrano controversi; suonano ovvi, anche. Il primo guscio della Terra si è riscaldato di nuovo e poi si è rotto in un sistema di placche. Ma in superficie, assomiglia ad altre idee che sono state screditate. E alcune di queste idee sono state proposte nientemeno che da Charles Darwin.
C'è una collisione di idee dietro tutto questo pensiero e ricerca, e vale la pena capirlo.
In un certo senso, la teoria della tettonica a zolle ha unificato la nostra comprensione delle placche. Ma prima di ciò, sono state impiegate una varietà di ipotesi per spiegare le attività della Terra e la distribuzione dei continenti e degli oceani. Ad esempio, Charles Darwin attribuiva cose come i terremoti, la crescita delle montagne e la distribuzione delle masse terrestri all'espansione della Terra. Apparentemente sembrava plausibile, ai tempi di Darwin.
Ma nella nostra epoca, sappiamo che è il decadimento radioattivo degli elementi nel nucleo terrestre che fornisce il calore. Nel tempo, sono presenti sempre meno elementi a causa di quel decadimento, il che significa che il processo fornisce sempre meno calore nel tempo. Quindi cosa c'è di più probabile: espansione o contrazione termica? Perché il team dietro questo lavoro dovrebbe concentrarsi sull'espansione termica?
La risposta è legata ai vulcani.
Haleakala, un gigantesco vulcano a scudo, costituisce il baluardo orientale dell'isola di Maui. Nel profondo passato della Terra, periodi di aumento del vulcanismo avrebbero aiutato la Terra a raffreddarsi, come una radiazione che rilascia vapore. Credito: National Geographic/Cathy Roberts
'La risposta sta nella considerazione dei principali meccanismi di perdita di calore che potrebbero essersi verificati durante i primi periodi della Terra', ha detto il dott. Webb in un comunicato stampa . 'Se l'avvezione vulcanica, che trasporta materiale caldo dalla profondità alla superficie, è stata la principale modalità di perdita di calore precoce, questo cambia tutto'.
Ricerche precedenti del Dr. Webb e colleghi hanno mostrato che un'attività vulcanica sufficiente potrebbe creare un effetto di raffreddamento sul guscio della Terra, come un radiatore che emette vapore. Quando la roccia fusa è venuta in superficie attraverso l'azione vulcanica, alla fine si sarebbe raffreddata e sarebbe affondata di nuovo. Affondando, avrebbe raffreddato la prima litosfera terrestre. E poiché la traiettoria complessiva per la Terra era di raffreddamento, sia la produzione di calore dovuta al decadimento radioattivo che il vulcanismo sarebbero diminuiti.
Questa cifra dello studio mostra lo sviluppo di un sistema globale di fratturazione. Il pannello superiore di sei globi illustrati mostra la distribuzione globale delle grandezze di stress nel tempo, con valori negativi che mostrano lo stress di trazione e valori positivi che mostrano lo stress di compressione. Il pannello inferiore di sei globi mostra lo spostamento associato. Per maggiori dettagli, visita lo studio. Credito immagine: Tang et al, 2020.
A quel punto, l'affondamento del refrigerato litosfera avrebbe anche rallentato.
Poi succede qualcos'altro. Poiché la litosfera è fredda e più solida, intrappola il calore convettivo dal nucleo sottostante. Quel calore avrebbe fatto ricominciare la litosfera ad espandersi e il cracking avrebbe avuto luogo. Presto. Prima che ce ne rendiamo conto, abbiamo le placche tettoniche.
Questa figura dello studio mostra lo sviluppo della frattura nel tempo attraverso gusci con vari spessori. Il team ha modellato proiettili con spessori che vanno da soli 20 km fino a 200 km. Credito immagine: Tang et al, 2020.
I ricercatori lo hanno capito?
Nella conclusione del loro articolo scrivono che 'I nostri modelli di gusci sferici mostrano come un sistema di placche tettoniche può evolversi da processi superficiali'. Scrivono anche che '... l'inizio della tettonica a zolle richiede che l'espansione radiale sia abbastanza grande da indurre sollecitazioni orizzontali che superano la forza della litosfera ad un certo punto nell'Archeano'.
Chissà se questa sarà l'ultima parola sull'inizio della tettonica a placche della Terra. Ma in ogni caso, questi risultati sono molto intriganti.
Per quanto riguarda Webb e i suoi colleghi, continueranno a lavorare. Intendono continuare a sviluppare teorie per spiegare i processi geologici della Terra.
“Insieme”, come dice il comunicato stampa, “questi studi smantellano uno dei più grandi misteri rimasti della Terra e della scienza planetaria: come e perché la Terra è passata da una palla fusa al nostro pianeta tettonico a placche?
Come infatti.
Di più:
- Comunicato stampa: 'Ultime notizie! Una nuova idea su come il guscio esterno della Terra si è rotto per la prima volta nelle placche tettoniche
- Documento di ricerca: Rompere il guscio della Terra in una rete globale di placche
- Universo oggi: Sembra che la tettonica a placche non sia necessaria per sostenere la vita