I processi naturali che muovono il carbonio attraverso la Terra, come la tettonica a placche, la subduzione e l’attività vulcanica, sembrano vecchi e stabili oggi, ma il pianeta non era sempre così tranquillo. Durante l’eone arcaico (da 4 a 2,5 miliardi di anni fa) – l’adolescenza della Terra – il pianeta era più caldo e aveva più eruzioni vulcaniche. Questo eone terminò con un aumento dell’ossigeno atmosferico chiamato Grande Evento di Ossidazione, che fu l’inizio della tettonica a placche più matura che riconosciamo oggi.
In un nuovo articolo su Nature, un team di ricercatori, tra cui i membri della DCO Reservoirs and Fluxes Community Bernard Marty e Michael Broadley (CRPG-CNRS, Francia) e il membro del comitato esecutivo Claude Jaupart (Institut de Physique du Globe de Paris, Francia), ha rilevato un forte aumento dell’attività vulcanica tra 2,6 e 2,2. miliardi di anni fa che probabilmente ha rilasciato una raffica di acqua, anidride carbonica e altri composti volatili nell’atmosfera. I ricercatori hanno analizzato le tracce di atmosfera arcaica intrappolate all’interno di bolle piene di fluido chiamate inclusioni all’interno delle rocce che si sono formate in quel periodo. Essi propongono che questo massiccio flusso di volatili possa aver iniziato il Grande Evento di Ossidazione.
“Non sappiamo molto dell’eone arcaico, circa 3 miliardi di anni fa”, ha detto Marty, co-presidente del comitato direttivo della comunità scientifica Reservoirs and Fluxes. Poche rocce esistono ancora di quel periodo, e come lui sottolinea, sappiamo poco dell’atmosfera arcaica e dei flussi vulcanici “perché non c’erano vulcanologi all’epoca”.
Nel nuovo studio, i ricercatori hanno esaminato i dati isotopici delle rocce che si sono formate da 3,5 a 2,7 miliardi di anni fa. “Gli isotopi sono come il DNA della materia”, ha detto Marty. “Ogni elemento ha una firma specifica che è una registrazione di ciò che è successo prima”.
In particolare, hanno esaminato la composizione isotopica del gas nobile xeno, che può essere utilizzato per stimare l’attività vulcanica nel tempo. Ci sono nove diversi isotopi di xeno che differiscono solo per il numero di neutroni nel nucleo. L’isotopo 129Xe proviene dal decadimento radioattivo dello iodio nel mantello e sfugge alla superficie attraverso le eruzioni vulcaniche, quindi le concentrazioni dell’isotopo nell’atmosfera sono direttamente correlate alle emissioni vulcaniche. 129Xe si è gradualmente accumulato nell’atmosfera terrestre nel corso del tempo.
Come previsto, i ricercatori hanno visto che l’atmosfera arcaica aveva poco xeno rispetto all’atmosfera di oggi, che ha avuto molto più tempo per accumulare il gas. Ma sono stati sorpresi di vedere un rapido aumento di 129Xe da 2,6 a 2 miliardi di anni fa. Questo significa che la Terra ha sperimentato una massiccia attività vulcanica in questo periodo, e ha rilasciato enormi quantità di carbonio e altri volatili nell’atmosfera, a tassi da 10 a 100 volte più veloci di oggi.
L’attività vulcanica associata all’attuale tettonica a placche non può spiegare il rapido aumento, così Marty e i suoi colleghi del CRPG-CNRS hanno collaborato con Jaupart, un esperto di rilascio di calore dalla Terra, per creare un modello della temperatura della Terra e dell’attività vulcanica nel tempo. Secondo una registrazione indipendente lasciata dalle rocce vulcaniche, la temperatura interna della Terra ha raggiunto un picco tra 3 e 2,5 miliardi di anni fa, riscaldata dalla scomposizione degli elementi radioattivi. Poiché la tettonica a placche primitiva non era molto efficiente nel rilasciare questo calore, gli scienziati pensano che la Terra si sia surriscaldata e abbia creato enormi volumi di poltiglia schiumosa, contenente magma fuso, gas e cristalli. La firma 129Xe suggerisce che la poltiglia ha eruttato per 200 o 300 milioni di anni, rilasciando gas in superficie.
Come un capriccio adolescenziale, l’aumento dell’attività vulcanica ha permesso alla Terra di soffiare via molto vapore e altri volatili, prima di stabilirsi in un modello più maturo di tettonica a placche.
I ricercatori ipotizzano che questa esplosione di volatili alla fine dell’epoca Archeana possa essere responsabile del Grande Evento di Ossidazione che ha portato alla presenza di ossigeno gassoso nell’atmosfera. “Proponiamo che l’improvviso rilascio di anidride carbonica e azoto nell’atmosfera abbia fornito un sacco di nutrienti per i batteri, quindi ci potrebbe essere stato un aumento dell’attività batterica, nel senso che hanno preso l’anidride carbonica e l’azoto e rilasciato l’ossigeno”, ha detto Marty. Capire come i cambiamenti catastrofici del ciclo globale del carbonio abbiano avuto un impatto sulla Terra antica può aiutarci a prevedere i cambiamenti che deriveranno dai nostri attuali tassi di emissione.
In seguito, i ricercatori hanno in programma di analizzare ulteriori campioni di roccia di questo periodo di tempo, per ottenere una migliore risoluzione sui tempi del “capriccio” del mantello terrestre e come possa aver influenzato l’evoluzione del pianeta. Hanno anche in programma di esaminare il ruolo del Sole e come i cambiamenti nella produzione solare possono aver influenzato la temperatura della Terra nel passato.
“Abbiamo davvero bisogno di caratterizzare meglio la Terra antica”, ha detto Marty. “Nell’arcaico è certamente dove l’attività batterica si è sviluppata e la vita è sbocciata. Dobbiamo documentare meglio questo periodo di tempo e sapere molto di più sul ciclo dei volatili nel lontano passato.”
Immagine principale: Le rocce dell’Archeano, come la formazione Dresser, vecchia di 3,45 Ga, nell’Australia nord-occidentale, scarseggiano oggi sulla Terra, il che rende difficile conoscere le condizioni della Terra durante l’Eone Archeano. Per gentile concessione di B. Marty