Mettendo a confronto la propagazione di onde sismiche generate da grandi terremoti verificatisi nelle stesse aree ma a decenni di distanza, i geofisici cinesi Yi Yang e Xiaodong Song dell’Università di Pechino hanno osservato delle peculiari anomalie. Rievocando teorie che periodicamente balzano agli onori cronaca internazionale, hanno associato le suddette anomalie a una possibile variazione nella velocità del nucleo interno solido. I due esperti ipotizzano che il nucleo nel cuore del nostro pianeta potrebbe essersi fermato o addirittura potrebbe aver cambiato direzione. La notizia, accolta con toni e titoli sensazionalistici in tutto il mondo, ha sollevato più di qualche sopracciglio, facendo immaginare scenari apocalittici come quelli raccontati in alcuni blockbuster hollywoodiani. Per capire meglio cosa è accaduto, come è stato condotto lo studio e quali sono le potenziali conseguenze per noi tutti abbiamo contattato il dottor Massimo Chiappini, direttore del Dipartimento Ambiente dell'Istituto nazionale di geofisica e vulcanologia (INGV). Ecco cosa ci ha raccontato.

Dottor Chiappini, i risultati dello studio cinese hanno avuto una significativa eco mediatica. Le chiediamo gentilmente innanzitutto di spiegarci com'è fatto il nucleo della Terra e come si è arrivati a ipotizzare che possa essersi fermato e aver cambiato direzione

È doveroso fare una premessa. Siccome il nucleo terrestre sta a migliaia di chilometri sotto i nostri piedi non ci è andato mai nessuno. E penso che nessuno ci andrà mai. Quelle fatte sono misurazioni indirette. Intanto diciamo che il nucleo interno ha una natura di tipo solido; è costituito essenzialmente da metalli pesanti (nichel, ferro) e si è formato nel tempo per differenziazione gravitazionale, una delle teorie più accreditate. Questo nucleo interno è circondato da quello che viene chiamato nucleo esterno, che è classificato come fluido. Non userei la parola liquida. Uno immagina il nucleo liquido e pensa all'acqua. Non è così. La natura fluida è stata ipotizzata proprio dal comportamento delle onde sismiche che attraversano i vari strati della Terra.

Ci spieghi

Le onde sismiche si dividono in due grosse categorie: le onde longitudinali e le onde trasversali, quelle che i sismologi chiamano onde P e onde S. Le onde P sono quelle che arrivano prima, sono più veloci e hanno la caratteristica di essere polarizzate, cioè si muovono, mentre si propagano all'interno della Terra, oscillando nella direzione di propagazione. Quindi vanno avanti e indietro lungo la direzione di propagazione. Invece le onde S, quelle trasversali, si propagano con un'oscillazione che è perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda. Si propagano trasversalmente. Queste due onde hanno una caratteristica particolare. Mentre le onde P si propagano ovunque, quelle trasversali non vengono propagate all'interno dei fluidi. Quindi cosa succede, quando abbiamo dei grossi terremoti, quelli di grande magnitudo, si generano tantissime onde sismiche che vengono propagate all'interno della Terra e poi riemergono, risalgono in superficie. C'è anche il fenomeno della rifrazione, per cui comunque si propagano con un angolo, fanno una curva con una concavità sempre rivolta verso l'alto. Perché gli strati della Terra genericamente hanno una densità crescente in ragione della profondità. Man mano che l'onda sismica entra all'interno della Terra viene rifratta verso una certa direzione e piano piano ritorna su da qualche parte, in base a quanti strati attraversa e alla loro natura. I sismologi rilevano queste onde a migliaia di chilometri di distanza dalla zona epicentrale, ma succede che determinate onde S non emergono. Questo vuol dire che queste onde non si propagano in una certa regione della Terra.

Il nucleo fluido della Terra

Esatto. È una premessa importante per comprendere lo studio cinese. La natura di questo nucleo fluido ci dice due cose: primo, che c'è un contrasto tra il nucleo esterno e il nucleo interno, sicuramente c'è una discontinuità fisica, quindi molto probabilmente anche composizionale, perché se il nucleo che sta all'esterno è fluido, appunto, e quello interno che si è formato per differenziazione gravitazionale è solido, vuol dire che la composizione dei due corpi è diversa. Posta questa premessa, il nucleo interno potrebbe essere meccanicamente disaccoppiato dal nucleo esterno. È come se io avessi un pallone di gomma, lo metto in una vasca e lo faccio ruotare. Non è accoppiato con l'acqua perché ruota. C'è un po' di attrito e poi si ferma, però per un certo periodo di tempo continua a ruotare. Questo è il meccanismo.

Che è alla base del nuovo studio che ha portato a ipotizzare lo stop del nucleo interno e il possibile cambio di direzione

La ragione per cui è nata tutta questa diatriba sulla velocità del nucleo solido, nata già alla fine degli anni '60, poi ripresa negli anni '90 e periodicamente ritirata fuori, risiede nei grossi terremoti. Quelli di grande magnitudo come in Cile, Alaska (magnitudo di 8, 9, 9 e mezzo etc etc). Perché generano tantissime onde sismiche che per noi sono fondamentali proprio per studiare l'interno della Terra. Grossi terremoti che sono avvenuti nell'arco di varie decadi, il cui ipocentro è sempre stato nello stesso posto, nel tempo hanno evidenziato un percorso diverso delle onde sismiche all'interno della Terra. Una certa onda X che veniva generata nell'anno '80 e che poi emergeva da un'altra parte sulla superficie terrestre dopo un certo tempo di attraversamento, 10 anni dopo è stato osservato che non emergeva più nello stesso punto. Ma emergeva un pochino distante. Quindi qual è l'ipotesi e quindi la teoria che è stata formulata sulla dinamica del nucleo interno? Proprio perché il nucleo interno è disaccoppiato, si ipotizza che possa ruotare in maniera diversa, non sincrona con la Terra, con il guscio esterno. Quando un'onda sismica entra nel nucleo, se questo nucleo sta ruotando si porta avanti l'onda. Quando riesce dal nucleo non sta più nel posto dove avrebbe dovuto stare se si fosse trattato di un nucleo fermo. Questa è la dinamica del nucleo terrestre detta in maniera semplicistica. Ora le faccio questa considerazione. Alcuni studi hanno rilevato che queste onde sismiche dopo un po' di anni emergevano da un'altra parte, altri hanno visto che emergevano da un'altra parte ancora. Queste sono teorie, non sono suffragate da tante altre evidenze. Ma io dico ben vengano queste teorie. Posso avvalorare più una teoria di un'altra, ma non sulla base di ulteriori evidenze. Magari sul fatto che una mi possa sembrare un po' meno ragionevole. Ma tutte le teorie sono valide. A me qualcuno chiedeva: qual è la teoria più accreditata? Non c'è una teoria più accreditata. Perché l'importante è che tutte le teorie soddisfino le leggi della fisica. Questa è la cosa importante.

E il nuovo studio sul potenziale cambio di direzione del nucleo solido le soddisfa

Chiaramente questa teoria le soddisfa. Perché fa uso del concetto consolidato che noi abbiamo un nucleo fluido esterno e uno solido all'interno. In realtà anche questa è una teoria. Ripeto, non abbiamo un'evidenza fisica – come una perforazione – e possiamo dirlo con certezza. Lì abbiamo delle temperature e delle pressioni che sono inimmaginabili. È il motivo per cui io chiamo il nucleo esterno fluido e non liquido, perché io non riesco a immaginare a quelle pressioni e a quelle temperature uno stato liquido. Dico fluido – che può essere anche un gas – perché sicuramente rispetta la circostanza che l'onda trasversale non lo attraversa. E quindi si comporta come un fluido. Ma poi se fosse veramente un fluido non lo sappiamo. A questo dobbiamo associare il fatto che il nucleo esterno ha un impatto fondamentale per la nostra vita.

Ci spieghi

Il nucleo esterno è la sede della generazione del campo magnetico terrestre. Perché il campo magnetico è importante per la nostra vita? Perché ci scherma dalla radiazione solare. Un flusso di particelle – il cosiddetto vento solare – che è piuttosto invasivo, diciamo così. L'unica cosa di cui siamo certi è che gli scienziati hanno visto che c'è questa differenza di pattern di propagazione delle onde. E riprendendo la vecchia teoria – in realtà non così tanto vecchia – di super rotazione del nucleo, che per un periodo è stata una notizia sensazionalistica (ma stavamo parlando di 0,1 gradi), hanno detto che se il nucleo ruota allora vuol dire che in questo caso si osserva come se il nucleo si fosse fermato, o addirittura fosse tornato indietro. Tutto può essere, ma sono ipotesi molto fantasiose.

Se fosse effettivamente avvenuto questo stop, seguito addirittura da un'inversione, si dice che possa aver influenzato la durata del giorno, la distribuzione del campo magnetico terrestre. Quali sarebbero gli effetti di un fenomeno del genere per tutti noi?

Intanto stiamo parlando di velocità non particolarmente elevate. Certamente questo comporterebbe una diversa distribuzione di massa all'interno della Terra. Quindi, anche se minima, una variazione del momento angolare della Terra e dunque diciamo della sua rotazione. Perché vede, piace molto parlare della durata del giorno, ma la durata del giorno altro non è che un fenomeno astronomico, che è legato alla rotazione terrestre. Sono cose che già accadono. Noi abbiamo variazioni della durata del giorno che sono di natura puramente astronomica. La Terra è una trottola che ha tutta una serie di moti, ivi comprese piccole variazioni del percorso che fa l'asse terrestre sul piano dell'eclittica, che di fatto descrive un cono, e quindi un'ellisse o addirittura una circonferenza se si andasse a intersecare la base del cono. Questa circonferenza non è tutta perfettamente circolare, ma se andiamo a zoomare ci sarebbero tante piccole oscillazioni, una piccola sinusoide. È tutto molto complesso, e ogni piccola variazione dell'asse terrestre determina una piccola variazione del meccanismo di rotazione, e quindi della durata del giorno. Questa durata del giorno, diciamo per onestà, non è rilevabile dagli esseri umani. Forse la mia gatta può rilevarlo, ma l'uomo non se lo sogna nemmeno. Solo gli strumenti più sofisticati. Stiamo parlando di nanosecondi, microsecondi, cose impercettibili. È chiaro che è vero. Anche un grosso terremoto induce quelle che si chiamano oscillazioni libere della Terra. È come se noi dessimo un colpo al pallone. Noi non lo vediamo, ma se facciamo un video ad alta velocità ci accorgeremmo che il pallone inizia a oscillare. Oscilla e cambia la sua forma. E cambiando la forma cambia anche la capacità di ruotare. Questo perché ha ricevuto energia, un impulso. Anche se ci colpisce un meteorite la Terra cambia la sua altitudine in qualche modo. Ma è chiaro che lo fa in maniera impercettibile. È ovvio che se fosse colpita da un altro pianeta, per assurdo, cambierebbe anche la sua orbita. Quindi sicuramente questa variazione sulla rotazione ci sarebbe, ma ci sono già altre ragioni di tipo astronomico.

La frequenza di questa ipotetica inversione del nucleo interno è possibile ipotizzarla, come avviene ad esempio per l'asse terrestre?

L'asse terrestre ha un suo moto che noi conosciamo abbastanza bene, ma è una cosa completamente diversa e di carattere astronomico, gravitazionale. Qui non si può ipotizzare una eventuale periodicità del fenomeno. Perché chi ha tirato fuori questa idea della variazione della velocità di rotazione del nucleo rispetto alla Terra non è che ha dato anche un meccanismo. Non ha detto succede perché accade questo o questo.

Dato che è tutta un'ipotesi, se non fosse la variazione della velocità del nucleo a variare il pattern di propagazione delle onde sismiche, di cosa potrebbe trattarsi?

Io direi semplicemente questo: che le onde sismiche quando si propagano all'interno della Terra chiaramente incontrano tantissimi strati e tantissima disomogeneità. Non ci dimentichiamo che eventualmente non è solo il nucleo interno che si muove. Noi per giustificare la presenza del campo magnetico terrestre invochiamo un'altra teoria, che si chiama dinamo. Non è che noi al centro della Terra abbiamo un magnetone, una calamitona che sta lì. Questo probabilmente lo avevano detto nel ‘400 o nel ‘500. Era una buona idea, ma sarebbe stato un campo statico. Il campo magnetico terrestre non è né uniforme tanto meno stazionario, come si dice in fisica. È una cosa complessa, che varia nel tempo e nello spazio. Questo vuol dire che la generazione di questo campo magnetico avviene attraverso una dinamo dinamica. In realtà, se posso usare una parola che sembra una parolaccia, è una dinamo magnetoidrodinamica. Questa è la teoria più accreditata sulla generazione del campo magnetico. “Magneto” perché ovviamente stiamo parlando di campi magnetici, “idrodinamica” perché abbiamo un fluido che si muove al suo interno. Nel nucleo esterno – di 2.500 chilometri di spessore – è presente un gradiente di temperatura, quindi temperature variabili dall'alto verso il basso, dal tetto al letto, però succede che avendo questo gradiente è ipotizzabile la presenza di celle convettive.

Ci spieghi cosa sono

Si tratta di un movimento che porta il fluido più caldo verso l'alto, spostando il fluido che sta più in alto, più freddo, verso il basso. È come nella pentola per la pasta. Quando questa massa di fluido che si è riscaldata, quando è scesa dall'alto verso il basso, a sua volta ritorna sopra e va a sostituire l'altro fluido che nel frattempo si è raffreddato. E poi ritorna in basso. Sono circoli di fluido che si muovono. Ora è ipotizzabile che questo fluido a quelle profondità e a quelle pressioni dovrebbe essere un plasma, ovvero un fluido che ha una conducibilità elettrica molto alta. Diciamo infinita. Se questo fluido è davvero un plasma, allora vale un teorema di Alfven, che ha avuto anche un Nobel a suo tempo, per il quale esiste un meccanismo di congelamento del campo magnetico.

Ovvero?

Che le linee di forza del campo magnetico rimangono attaccate alle linee di flusso. Cosa vuol dire, che se io sposto questo fluido e lo porto verso l'alto, le linee di forza del campo vengono trascinate con il fluido, perché appunto essendo un fluido ad altissima conducibilità, il campo magnetico rimane “appiccicato”. Questo moto di convenzione associato al moto di rotazione della Terra porta le linee del campo ad accumularsi in alcuni punti, quindi a creare zone di campo molto elevate, con altre che si vanno stiracchiando e rarefacendo. In questo caso, se noi facessimo tutta questa simulazione con le linee di forza che si stiracchiano e si raggruppano, si vedrebbe che le linee di forza assumono la forma di un toro, cioè di una ciambella. Il toro è una figura geometrica. Il campo magnetico prodotto da una figura magnetica di questo tipo è un campo complesso, se ci si mette vicini. Ma se io mi metto lontano, dalla superficie terrestre, vedo approssimativamente che il campo è di tipo dipolare. Cioè è una calamita. Nella realtà il campo è molto più complesso, perché in prima approssimazione è dipolare, poi se andiamo a fare lo sviluppo in armoniche sferiche e tutto lo sviluppo matematico vediamo che ha vari componenti di quadrupolo etc etc. Con questo ragionamento voglio dire che tutta la teoria del nucleo esterno è stata sviluppata e sviscerata dal punto di vista fisico–matematico ed è universalmente accettata oggi. Quindi sostanzialmente va a suffragare tutte le teorie che derivano da essa. Ma si parte da una base solida. E il fatto che il nucleo fluido si muova e che all'interno abbia queste celle convettive, significa che si determinano variazioni quando viene attraversato dalle onde sismiche. Oggi troverebbero una distribuzione dei parametri fisici di un certo tipo, domani, proprio in virtù della dinamica del nucleo esterno, troverebbero una composizione e una distribuzione dei parametri fisici, posizionali, di densità e così via che sono un pochino diversi. In più aggiungo che nelle interfacce tra il nucleo esterno e il nucleo interno, e tra il nucleo esterno e il mantello e così via, ci sono dinamiche complesse perché laddove noi abbiamo contatto di materiali diversi a quelle pressioni e a quelle temperature, ci sono fenomeni anche di semiconduzione, di decadimento radioattivo degli isotopi naturali. La questione è così complessa che veramente è difficilmente controllabile.

Quindi cosa ne pensa della teoria dei geofisici cinesi, alla luce di tutta questa complessità che sottende alla dinamica del nucleo terrestre?

Personalmente mi piace come teoria, la trovo molto creativa e fantasiosa

Ma magari non ci crede

Non voglio dire che non ci credo. Dico che è una teoria come altre, ma ben vengano queste teorie. Vorrei concludere con questo messaggio. Sono felicissimo quando i colleghi, in questo caso cinesi molto bravi, esprimono nuove teorie. Perché il dibattito scientifico è fondamentale laddove noi non abbiamo altre evidenze. Non possiamo andarci a mettere il naso in quella zona, così come negli esopianeti. Noi facciamo delle ipotesi. Pensiamo a una galassia che sta a milioni di anni luce da noi: nell'arco della mia vita non avrò la fortuna di andare a vederla. Quindi devo usare la radioastronomia, le emissioni gamma e tutte queste qui per cercare di fare delle ipotesi. Più ipotesi abbiamo e più si alimenta il dibattito scientifico. È fatto di questo, posto che tutte queste teorie si basino sulle leggi della fisica. Questo è il fondamento.

Leggendo del nucleo della Terra fermo o invertito in molti hanno espresso qualche preoccupazione su ciò che potrebbe accadere. Lei cosa pensa?

Io darei un messaggio positivo. Dicendo “che bello, abbiamo un'altra teoria su questo”. Noi dobbiamo investire sempre di più su questi studi, perché alla fine ci permettono di essere più pronti anche nello studio degli strati più superficiali della Terra, la crosta terrestre, che ha una dinamica che ha su di noi un impatto importante. Abbiamo terremoti, vulcani, tsunami, inondazioni. Andarsi a preoccupare del nucleo interno, francamente, anche no. Però ci aiuta. Quando io studio la propagazione delle onde simiche mi devo anche lì preoccupare della dinamica del nucleo, perché devo capire quanto esso incide sulla localizzazione.