Perché la Terra non si è congelata miliardi di anni fa: il “giovane” Sole ha plasmato il nostro clima

La storia climatica della Terra potrebbe essere stata influenzata non soltanto da ciò che accade sul nostro pianeta, ma anche dalla storia del Sole e dal viaggio dell'intero Sistema Solare attraverso la Via Lattea. È quanto emerge da due recenti studi della NASA, che indagano due epoche completamente diverse della storia terrestre.

Il primo studio ricostruisce attraverso simulazioni numeriche il movimento del Sistema Solare attraverso il mezzo interstellare della Via Lattea negli ultimi milioni di anni e suggerisce che alcuni incontri con dense nubi di gas e polvere possano aver temporaneamente ridotto le dimensioni dell'eliosfera, esponendo direttamente la Terra all'ambiente interstellare e contribuendo a cambiamenti climatici avvenuti milioni di anni fa.

Il secondo studio torna invece indietro di miliardi di anni, quando il Sole, nato da poco, aveva circa il 70% della luminosità attuale, ma con un'attività maggiore di quella odierna. La ricerca mostra come le particelle prodotte da frequenti superflares possano aver favorito la formazione nell'atmosfera terrestre di potenti gas serra, contribuendo a mantenere acqua liquida sulla superficie del nostro pianeta.

I risultati mostrano quindi due facce apparentemente opposte dell'influenza della nostra stella sulla Terra. In tempi relativamente recenti, su scala geologica, il movimento del Sole nella Via Lattea potrebbe aver contribuito a episodi di raffreddamento del clima terrestre, mentre miliardi di anni fa l'intensa attività del "giovane" Sole potrebbe aver aiutato a riscaldare una Terra che altrimenti avrebbe dovuto essere congelata.

Dense nubi interstellari potrebbero aver lasciato la Terra senza la protezione dell'eliosfera

Siamo abituati a pensare ai pianeti come corpi che orbitano attorno al Sole, ma anche la nostra stella è in continuo movimento. Il Sistema Solare orbita infatti attorno al centro della Via Lattea con periodo di circa 230 milioni di anni e, durante questo viaggio, attraversa regioni della nostra galassia con caratteristiche molto differenti, alcune quasi vuote e altre occupate da nubi relativamente dense e fredde di gas e polvere interstellare.

I corpi all'interno del Sistema Solare non entrano però normalmente in contatto diretto con questo materiale, poiché il Sole emette un flusso di particelle cariche che si espande in tutte le direzioni (noto come vento solare). Quest'ultimo crea attorno alla nostra stella una gigantesca bolla chiamata eliosfera: questa struttura avvolge e fa da scudo per tutti i corpi del Sistema Solare e si estende attualmente fino a circa 120 unità astronomiche (circa 18 miliardi di km) dal Sole. Per intenderci, il nostro Pianeta si trova a 150 milioni di km dal Sole, circa 1 unità astronomica.

Le dimensioni di questa bolla possono variare nel tempo a seconda dell'equilibrio tra la pressione esercitata verso l'esterno dal vento solare e quella esercitata verso l'interno dal materiale interstellare attraversato dal Sistema Solare. Se il Sole entra in una regione molto più densa, la pressione esterna aumenta e l'eliosfera può quindi restringersi. Ed è proprio questo che, secondo la nuova ricerca NASA guidata dall'astrofisica Merav Opher della Boston University, sarebbe accaduto più volte nel recente passato geologico della Terra.

Utilizzando simulazioni numeriche e ricostruzioni del percorso del Sole nella Via Lattea, il gruppo di Opher ha simulato come l'eliosfera possa essere cambiata negli ultimi milioni di anni. I risultati indicano che il Sistema Solare avrebbe incontrato almeno tre volte delle nubi interstellari fredde e molto dense, approssimativamente 13-14 milioni, 6-7 milioni e 2-3 milioni di anni fa.

La pressione esercitata da queste nubi sarebbe stata sufficientemente elevata da comprimere l'eliosfera fino a dimensioni inferiori a quelle dell'orbita terrestre. In questi periodi la Terra si sarebbe quindi trovata temporaneamente al di fuori dell'eliosfera, direttamente immersa nel mezzo interstellare, come confermato dalla presenza di isotopi di origine interstellare come il ferro-60 e il plutonio-244 trovati in sedimenti oceanici profondi.

Le ricostruzioni del paleoclima mostrano importanti fasi di raffreddamento globale proprio in corrispondenza dei periodi precedentemente citati, in cui il nostro Sistema Solare avrebbe incontrato le nubi interstellari. Secondo le simulazioni della NASA, quando la Terra si trova direttamente immersa in una nube interstellare fredda e ricca di idrogeno, il materiale proveniente dalla nube può modificare la composizione e la dinamica degli strati superiori dell'atmosfera. I modelli indicano variazioni nel contenuto di vapore acqueo e nella chimica atmosferica, che possono propagarsi fino a modificare le condizioni climatiche alla superficie.

È importante però sottolineare che la coincidenza temporale non dimostra che gli incontri con le nubi interstellari abbiano causato questi raffreddamenti. Gli stessi autori definiscono ancora dibattuti i meccanismi responsabili delle variazioni climatiche osservate e indicano il collasso temporaneo dell'eliosfera come un possibile fattore esterno da aggiungere ai meccanismi già studiati, come le variazioni dell'orbita terrestre o la concentrazione dei gas serra.

I superflares del "giovane" Sole potrebbero aver prodotto un potente gas serra nell'atmosfera terrestre

Il secondo studio della NASA riguarda una fase molto più antica della storia terrestre e cerca di risolvere un problema noto da decenni come paradosso del giovane Sole debole, o Faint Young Sun paradox. Circa 3 miliardi di anni fa, quando il Sole aveva meno di due miliardi di anni di vita, la nostra stella emetteva solamente il 70% circa della sua luminosità attuale. A parità delle altre condizioni, una quantità così ridotta di energia avrebbe dovuto rendere la Terra abbastanza fredda da mantenere gran parte dell'acqua superficiale congelata. Le evidenze geologiche mostrano però che sul nostro pianeta esisteva già acqua liquida stabile molto prima di allora.

Un possibile indizio su come ciò sia possibile arriva dall'osservazione di stelle giovani simili al Sole. I dati raccolti dal telescopio spaziale Kepler della NASA hanno mostrato che stelle di questo tipo sono molto più magneticamente attive rispetto al Sole attuale e possono produrre con grande frequenza enormi eruzioni chiamate superflares. Nell'ipotesi che il giovane Sole si comportasse allo stesso modo, eventi di questo tipo potevano riversare grandi quantità di particelle ad alta energia verso i pianeti del Sistema Solare e potrebbero aver avuto un ruolo fondamentale nel rendere abitabile la Terra primordiale.

Per verificare questa ipotesi, il gruppo guidato da Kensei Kobayashi e Vladimir Airapetian del Goddard Space Flight Center della NASA ha ricreato in laboratorio una possibile atmosfera della Terra primordiale, utilizzando una miscela contenente azoto molecolare, ammoniaca, anidride carbonica e monossido di carbonio.

I ricercatori hanno quindi bombardato la miscela con protoni, simulando le particelle energetiche che avrebbero investito l'atmosfera durante i frequenti superflares del giovane Sole. L'irraggiamento ha innescato una serie di reazioni chimiche, tra cui la produzione di grandi quantità di protossido di azoto (N₂O), un gas serra estremamente efficace, circa 300 volte più potente dell'anidride carbonica.

Il giovane Sole emetteva però anche molta radiazione ultravioletta, capace di distruggere una parte del protossido di azoto prodotto. Per questo il gruppo ha utilizzato modelli fotochimici e climatici per verificare cosa sarebbe successo se soltanto una frazione del N₂O fosse riuscita a sopravvivere nell'atmosfera. Il risultato è stato che anche mantenendo appena il 10% del protossido di azoto prodotto negli esperimenti, le regioni equatoriali della Terra primordiale avrebbero potuto raggiungere temperature intorno ai 5 °C, sufficientemente alte da mantenere l'acqua allo stato liquido nonostante il Sole fosse molto meno luminoso di oggi.

Il bombardamento di particelle potrebbe aver avuto inoltre un secondo effetto. Gli esperimenti hanno prodotto precursori di molecole organiche, mostrando che la stessa attività solare che contribuiva a riscaldare il pianeta poteva contemporaneamente fornire energia alle reazioni della chimica prebiotica, cioè ai processi chimici che precedettero la comparsa della vita. Lo studio suggerisce inoltre che temperature appena superiori al punto di congelamento potrebbero favorire la formazione di catene complesse di amminoacidi.

non perderti questo video

Attività solare e riscaldamento globale: c’è un nesso tra i due fenomeni?