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Calore all’interno della Terra? Risponde la scienza

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Al mondo sono in fase di costruzione due rivelatori in grado di rilevare i geoneutrini, particelle generate dal decadimento radioattivo all'interno della Terra. Questo permetterà di comprendere il meccanismo di formazione del calore in profondità e, in futuro, di prevedere le catastrofi naturali.

Forse i "neutrini della Terra" chiariranno anche la modalità precisa di formazione del nostro pianeta.

Gli antineutrini sono la risposta?

Neutrini e antineutrini sono particelle elementari a lungo considerate impossibili da catturare. Vengono a crearsi durante il decadimento beta, un tipo di fissione nucleare. Sono prodotti sulla Terra all’interno dei reattori nucleari.

In natura i neutrini provengono dal Sole e sono il risultato di reazioni termonucleari. Nascono nell'atmosfera grazie ai raggi cosmici. I neutrini creatasi nei primi istanti del Big Bang sono stati trasportati nello spazio. Sorgente dei neutrini sono gli isotopi radioattivi collocati nelle profondità del pianeta.

L'idea di usare gli antineutrini per testare le ipotesi geologiche è venuta ai fisici negli anni ‘60. Per la prima volta sono stati registrati nel 2005 dal rilevatore sotterraneo KamLAND (Giappone) come risultato collaterale della ricerca sui neutrini solari. Nel 2010, l'esistenza di queste particelle è stata confermata in modo certo durante l'esperimento Borexino in Italia.

Gli antineutrini terrestri contribuiranno a risolvere i misteri fondamentali della scienza: ad esempio, quanti elementi radioattivi sono presenti nelle profondità del pianeta e dove sono collocati, quanto calore generano, quali modelli di struttura e composizione della Terra sono più in linea con le osservazioni.

Tuttavia, non è così facile da mettere in pratica: la materia è, in generale, trasparente ai neutrini (come suggerisce il loro norme). Le particelle non partecipano alle interazioni elettromagnetiche, percepiscono poco la gravità, sono sensibili solamente a forze di debole entità che agiscono su una scala inferiore al diametro del protone. Il neutrino può viaggiare nello spazio per decine di anni luce, passando attraverso stelle, nebulose e pianeti, senza scontrarsi mai con altre particelle.

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Durante il loro periodo di attività Borexino e KamLAND hanno registrato segnali da circa 190 geoneutrini, ossia prodotti del decadimento dell'uranio-238 e del torio-232. Da un lato, questa è la prova che l'osservazione diretta del flusso di neutrini terrestri è possibile e i dati preliminari concordano con i modelli geologici generalmente accettati; dall'altro, questa statistica non è sufficiente per trarre conclusioni scientifiche. La raccolta di dati ricavati in fase sperimentale richiederà centinaia di anni.

Rilevatori giganti al servizio dei geofisici

I rivelatori Borexino e KamLAND sono enormi contenitori colmi di idrocarburi liquidi che fungono da scintillatori. Quando interagiscono con i neutrini, emettono fotoni che registrano i fotomoltiplicatori. Le unità sono collocate in miniere in profondità nel sottosuolo per ridurre gli effetti dei raggi cosmici.

I rilevatori in costruzione funzioneranno secondo gli stessi principi di quelli attuali. Per registrare un numero maggiore di eventi, la massa dello scintillatore sarà significativamente aumentata e il liquido stesso sarà ripulito dalle impurità radioattive (carbonio-14, radon) che creano interferenze. Inoltre, è importante posizionare i rilevatori il più lontano possibile dai reattori nucleari in funzione.

Una delle unità, SNO+, è attualmente in costruzione presso il Sudbury Neutrino Observatory in Canada. Al suo interno hannogià cominciato a versare uno scintillatore liquido. Il più grande rivelatore al mondo da 20 chilotoni per lo studio dei neutrini terrestri, lo JUNO, è in costruzione nella Cina meridionale. Inizierà a raccogliere dati entro il 2021.

Al momento si passa al vaglio la creazione di un grande rilevatore da dieci chilotoni presso il Baksan Neutrino Observatory in seno all’Istituto di ricerca nucleare dell’Accademia nazionale russa delle scienze nel Caucaso settentrionale.

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Secondo gli autori del progetto, "le peculiarità geografiche relative all'ubicazione dell'osservatorio possono sopprimere considerevolmente le interferenze di fondo legate al flusso di neutrini provenienti dai reattori delle centrali nucleari in funzione, e registrare i flussi di antineutrini che veicolano informazioni sulla struttura della crosta terrestre nella regione”.

Cosa riscalda l'interno della Terra

Della radioattività naturale della Terra sono responsabili 34 isotopi a lunga vita media. Il contributo maggiore è dato solo da tre di questi: uranio-238, torio-232 e potassio-40. Secondo un modello diffuso della Terra, il Bulk Silicate Earth, la maggior parte dei radionuclidi è contenuta nel guscio superiore della Terra, la litosfera; circa la metà di essi è sparsa nel mantello, mentre nel nucleo sono praticamente assenti.

Questa distribuzione dei radionuclidi è una conseguenza della formazione del pianeta. Subito dopo la sua nascita a partire da una densa nube di gas, la Terra era una palla fusa. Ciò è dovuto a due condizioni: un altissimo contenuto di radionuclidi (in particolare, all'epoca c'era il doppio di uranio-238 e il suo tempo di dimezzamento è pari al tempo di esistenza della Terra, ossia 4,5 miliardi di anni) e il bombardamento intensivo da parte dei meteoriti.

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Mentre il pianeta si raffreddava, la sua materia cominciava a dividersi. Il ferro e il nichel precipitarono all'interno, formando il nucleo, il silicato accumulatosi in alto si fuse e assorbì gli elementi litofili, tra cui potassio, torio, uranio.

Durante il decadimento beta, l'energia trasportata dagli elettroni venne convertita in calore, mentre gli antineutrini portarono via parte di energia nello spazio esterno. Se si consocessero i loro parametri, sarebbe possibile calcolare la concentrazione di radionuclidi parentali nella corteccia e nel mantello, nonché stimare il calore da essi generato.

Le stime attuali del flusso di calore totale della Terra e della frazione di ogni fonte variano molto a seconda del metodo di calcolo. In media, il contributo di calore radiogenico è di circa il 20%. La frazione restante è legata al raffreddamento del mantello (che originariamente era fuso e da allora si è raffreddato) e dal calore proveniente dal nucleo del pianeta.

Grazie alle fonti interne di calore si ottiene la miscelazione (convezione) del mantello, si formano i pennacchi e, di conseguenza, si ha un'attività tettonica sulla superficie del pianeta: in particolare, il movimento delle placche di crosta terrestre, la formazione di grandi faglie e sistemi montuosi, i terremoti e il vulcanismo.

Un altro compito fondamentale è quello di stabilire il rapporto isotopo torio-uranio. L'analisi delle condriti e il confronto dei campioni prelevati nella crosta terrestre hanno permesso di calcolare che il torio-232 è presente in quantità 3,9 volte maggiori rispetto all'uranio-238. Per comprendere le prime fasi dell’evoluzione della Terra, è necessaria una stima più accurata, che si può ottenere studiando il geoneutrino.

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Tuttavia, la massa di torio e uranio calcolata in via preliminare nella crosta e nel mantello non spiega l'intero flusso di calore radiogenico. Pertanto, negli anni '90, si è ipotizzato che allo stadio iniziale della formazione della Terra alcuni radionuclidi si siano integrati del nucleo. Questo “georeattore” naturale funge da fonte di energia per i pennacchi del mantello e per il campo magnetico del pianeta. Il rilevatore JUNO contribuirà a verificare questa ipotesi.

Dov'è finito il potassio-40?

I calcoli del flusso di calore del pianeta di solito non tengono in conto il contributo del decadimento del potassio-40. Si ritiene che sia presente in quantità minori rispetto all'uranio-238 e al torio-232 e che sia concentrato nella crosta terrestre. Tuttavia, queste ipotesi potrebbero essere errate, secondo gli scienziati dell’Istituto di ricerca nucleare e del’Istituto Nesmeyanov per i composti organici in seno alla RAN.

Essi si basano su un modello alternativo, respinto dalla comunità scientifica, secondo il quale la composizione dei pianeti sarebbe influenza dalla loro distanza dal Sole. La principale differenza tra questo modello e quello convenzionale è che il primo ammette la presenza di radionuclidi nel nucleo, nonché di potassio-40 in un ordine di grandezza due volte superiore rispetto a quello dell'uranio e del torio. Questo contribuisce all’enorme portata del flusso di calore complessivo, ossia circa 304 terawatt rispetto ai 47 terawatt calcolati da misurazioni effettuate in pozzi ultraprofondi.

Secondo gli autori dello studio, per risolvere questo paradosso e verificare il modello alternativo di cui sopra, è possibile studiare il geoneutrino. Inoltre, è fondamentale isolare il segnale dal decadimento del potassio-40. Tuttavia, le tecnologie esistenti non consentono ancora di farlo.

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