L’esistenza di un campo geomagnetico è davvero necessaria per lo sviluppo della vita?
Il campo magnetico globale della Terra risale probabilmente a miliardi di anni fa ed è una barriera contro le radiazioni cosmiche. Che ruolo ha svolto nella biosfera del pianeta?
Il campo geomagnetico permea allo stesso modo una miriade di aspetti della vita. Ad esempio, una vasta gamma di organismi, dai microscopici batteri magnetotattici a tutti i principali gruppi di vertebrati, hanno sviluppato meccanismi ingegnosi e complessi per rilevare il campo magnetico e utilizzare queste informazioni per l’orientamento e la locomozione.
Gli esseri umani, ovviamente, hanno imparato a usare il campo geomagnetico in innumerevoli modi vantaggiosi, con la bussola, che indica sempre il nord magnetico. D’altra parte, la nostra dipendenza dai dispositivi elettromagnetici significa che siamo altamente suscettibili alle tempeste geomagnetiche che perturbano il campo magnetico del nostro pianeta, con potenziali devastanti perdite economiche che possono arrivare a migliaia di miliardi di dollari [ Lingam e Loeb , 2017]. Più in generale, il campo magnetico generato dalla dinamo terrestre (la geodinamo) è responsabile della sostanziale magnetosfera del nostro pianeta, che protegge la Terra dagli effetti deleteri del vento solare.
L’ampia gamma di vantaggi derivanti dal campo magnetico terrestre è stata invocata da molti scienziati per sostenere che un campo magnetico planetario è un requisito fondamentale per l’abitabilità [Lammer et al. , 2009]. Il fatto che Marte, un pianeta attualmente privo di un forte campo magnetico globale, sia privo di un’atmosfera sostanziale è spesso interpretato come conseguenza dello spegnimento della sua dinamo circa 4 miliardi di anni fa, che ha quindi sottoposto l’atmosfera all’erosione del vento solare.
Molto del magnetismo planetario della Terra, tuttavia, rimane poco compreso. Tra le molteplici domande che perseguitano gli scienziati, due sono le principali: quando e come si è originata ed evoluta la dinamo terrestre? E quali sono le conseguenze di un campo magnetico per l’abitabilità e la vita? Entrambe le domande abbracciano domini di ricerca in rapida evoluzione e toccano molte questioni scientifiche interconnesse e sottili.
La storia della dinamo terrestre
Alcuni minerali sulla Terra, come la magnetite, sono particolarmente sensibili al campo geomagnetico a causa della loro natura ferrimagnetica e le misurazioni della loro magnetizzazione ci hanno permesso di dedurre la forza del campo magnetico terrestre in momenti diversi del passato. La prova più antica di una geodinamo proviene dall’analisi delle inclusioni magnetiche in cristalli di zircone di 4,2 miliardi di anni recuperati in Australia [Tarduno et al. , 2020], che indicano collettivamente che il campo magnetico terrestre allora potrebbe essere stato circa la metà più forte di oggi.
Questa presunta scoperta solleva più domande, anche sui processi responsabili della genesi e del funzionamento della geodinamo durante gli eoni di Adean e Archean (che abbracciano un periodo che va da 2,5 a 4,5 miliardi di anni fa). Un’ipotesi, tra le altre, suggerisce che le alte temperature prodotte durante i grandi impatti avvenuti in questo periodo hanno facilitato il trasporto del magnesio al nucleo, dove la precipitazione di minerali contenenti magnesio ha fornito energia sufficiente per alimentare la geodinamo [Badro et al. , 2016]; tuttavia, alcuni scienziati hanno criticato questo modello sulla base del presunto fatto che l’energia prodotta sarebbe insufficiente. È stato anche suggerito che la precipitazione del biossido di silicio dal nucleo potrebbe aver contribuito al sostentamento della prima geodinamo.
La nucleazione (cioè la formazione) del nucleo interno della Terra è considerata cruciale nell’ulteriore evoluzione della geodinamo [Smirnov et al. , 2016], principalmente perché il calore latente liberato durante la cristallizzazione del nucleo interno, in tandem con la differenziazione chimica in corso (in cui materiali di diverse composizioni si separano all’interno della Terra in base alla densità e all’affinità chimica), è in grado di alimentare la geodinamo. L’importanza della nucleazione del nucleo interno (ICN) è ampiamente riconosciuta, ma la sua tempistica è ancora incerta.
Implicazioni dello scudo magnetico terrestre
L’esistenza di un campo magnetico globale solleva interrogativi su come influisce sull’abitabilità e sulla vita. Questa è una domanda di ampia portata e la discussione qui è limitata solo a un paio di effetti salienti. Si pensa comunemente che i campi magnetici siano necessari per proteggere le atmosfere planetarie dall’erosione del vento solare, che accelera l’accelerazione e la fuga delle particelle atmosferiche attraverso le interazioni elettromagnetiche. Ma quanto è valida questa premessa?
I ricercatori hanno simulato la fuga di ioni di ossigeno dall’atmosfera terrestre adattando un modello costruito per Marte, scoprendo che la velocità di fuga potrebbe aumentare di un fattore di circa 1.000 se il campo magnetico fosse estremamente debole. Tuttavia, modelli numerici e studi analitici più recenti hanno scoperto che la relazione tra il campo magnetico di un pianeta e la velocità di fuga degli ioni di ossigeno è altamente non lineare. In particolare, attraverso una gamma di intensità di campo magnetico – e contrariamente alle aspettative – la velocità di fuga potrebbe effettivamente diminuire quando la forza di campo è indebolita [Lingam e Loeb ,2019]. Quindi, ci sono motivi per supporre che un campo geomagnetico debole o addirittura assente potrebbe non essere stato un ostacolo alla vita come originariamente previsto, almeno per quanto riguarda gli effetti del campo sull’erosione atmosferica da parte del vento solare.
La schermatura magnetosferica della Terra funge da barriera protettiva contro le particelle solari ad alta energia e i raggi cosmici galattici (GCR) (solo questi ultimi sono considerati qui, poiché i primi sono più intermittenti). Quando i GCR attraversano l’atmosfera terrestre, portano alla formazione di particelle secondarie come muoni e pioni. E quando i GCR ed i loro derivati raggiungono la superficie, possono danneggiare biomolecole come il DNA. L’impatto cumulativo di tale radiazione è misurato da una quantità nota come velocità di dose equivalente. Con un campo magnetico più debole, si prevede che la velocità di dose equivalente aumenti perché un flusso più elevato di GCR raggiunge la superficie e viceversa. Questa tendenza è effettivamente confermata da simulazioni numeriche all’avanguardia, ma l’amplificazione è modesta [Glassmeier e Vogt ,2010]: per un’atmosfera simile alla Terra, la dose equivalente può aumentare solo di un fattore di circa 2 se il campo geomagnetico è assente.
Le particelle ad alta energia in arrivo influenzano la vita anche attraverso una via indiretta, ma importante. Possono reagire con i due costituenti più abbondanti dell’atmosfera terrestre, formando ossidi di azoto che successivamente reagiscono e riducono l’ozono stratosferico. La riduzione dell’ozono aumenta il flusso di radiazioni UV sulla superficie, che ha una serie di ben note conseguenze deleterie per la vita, che vanno dalle biomolecole danneggiate allo stress fisiologico acuto. Diversi modelli numerici indicano che un campo magnetico indebolito o assente potrebbe comportare un aumento del 20% o più della radiazione UV che penetra verso la superficie, specialmente nelle regioni polari [Glassmeier e Vogt ,2010]. Non è chiaro se una tale spinta, che a prima vista potrebbe non sembrare importante, sia abbastanza alta da causare danni diffusi al biota del nostro pianeta, data la complessità della biosfera terrestre e le sue interazioni non lineari con la litosfera, l’idrosfera e l’atmosfera.
Risolvere l’enigma
Ci sono prove promettenti che la geodinamo terrestre sia iniziata già 4,2 miliardi di anni fa e che la cristallizzazione del nucleo interno della Terra, che ha aperto la strada alla geodinamo di oggi, sia avvenuta più di mezzo miliardo di anni fa. Sebbene i cambiamenti nel campo magnetico terrestre provocati da queste transizioni fossero probabilmente profondi, gli effetti concomitanti sulla biosfera del nostro pianeta sono molto meno chiari. Gli organismi della Terra devono essere stati colpiti in una certa misura, ma per comprendere l’entità e la natura di queste ripercussioni sono necessarie ulteriori ricerche che sintetizzano le conoscenze dalla geologia, astronomia, fisica del plasma, microbiologia, biologia evolutiva e altre discipline.
Risolvendo l’enigma se il campo magnetico terrestre abbia svolto un ruolo significativo nel modulare l’evoluzione della vita, saremo in una posizione migliore per considerare la questione correlata se un campo magnetico sia necessario prima di tutto affinché un pianeta sia abitabile. Questo sforzo ha importanti implicazioni per la comprensione delle origini e dell’evoluzione della vita sulla Terra; per applicazioni, come lo sviluppo di magnetosfere artificiali, che potrebbero influenzare il futuro dell’umanità in molti modi; e per rispondere alla secolare domanda se siamo soli nell’universo.
Perseguiamo questa ricerca con tutta serietà.
