Nuovo studio completa la vecchia teoria sul campo magnetico terrestre

Il campo magnetico terrestre è fondamentale per la nostra esistenza, in quanto protegge la vita sulla superficie del nostro pianeta dai letali raggi cosmici.

La sua origine ha le radici nei moti turbolenti del ferro liquido di cui è composto in prevalenza il nucleo della Terra.

Il ferro è un metallo e come tale è un conduttore; ha cioè la proprietà di consentire il passaggio di un flusso di elettroni, ossia di una corrente elettrica.

Nuove scoperte, dovute ad un gruppo cui appartengono Carnegie Ronald Cohen e Peng Zhang, ambedue scienziati del Geophysical Laboratory presso la Carnegie Institution for Science di Washington, Stati Uniti, nel completare il puzzle della genesi di un campo elettrico, vengono a colmare una parte mancante della teoria tradizionale che spiega perché i metalli, quando sono riscaldati, subiscono una riduzione della conduttività.

I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Nature.

Concezione del nucleo terrestre sovrapposto dalla struttura elettronica del ferro. La larghezza delle linee risulta dalla diffusione elettrone-elettrone. (crediti: Ronald Cohen)

Al centro della Terra le temperature sono elevatissime ed è opinione comunemente accettata che il flusso di calore che dal centro del pianeta si propaga verso la superficie sia la causa della maggior parte delle dinamiche terrestri, dal vulcanesimo alla tettonica delle placche.

E’ stato a lungo ritenuto che il flusso di calore sia associato alla ‘convezione termica’, il processo per cui un liquido, se riscaldato, diventa meno denso e tende a salire, mentre il suo posto viene occupato da materiale più denso e più freddo, che tende a scendere.

Nella massa del liquido, si originano quindi dei moti convettivi.

Secondo quanto ritenuto finora, questi moti avverrebbero anche all’interno del nucleo di ferro liquido della Terra, generando il campo magnetico terrestre.

Tuttavia, recenti calcoli hanno rimesso in discussione questa teoria, ponendo una serie di dubbi sulla sua spiegazione.

Nel nuovo lavoro, Cohen e Zhang, assieme a Kristjan Haule, ricercatore della Rutgers University, hanno utilizzato un nuovo metodo di fisica computazionale, scoprendo che la precedente teoria sulla convezione termica era giusta.

La loro conclusione si basa sulla scoperta che la teoria classica dei metalli, sviluppata nel 1930, era incompleta.

Nei metalli, e quindi nel nucleo terrestre, gli elettroni trasportano la corrente e il calore.

Nel conduttore, tuttavia, il passaggio di corrente trova una resistenza, o meglio una resistività.

La resistività di un materiale è definita come l’attitudine di quel materiale ad opporre resistenza al passaggio delle cariche elettriche ed è quindi l’inverso della conduttività (o conducibilità) elettrica. Per cui, aumentando la prima, la seconda diminuisce.

La teoria classica dei metalli spiega che la resistività aumenta all’aumentare della temperatura, dal momento che, man mano che il calore cresce, aumentano le vibrazioni nei reticoli degli atomi.

Più aumenta la temperatura, quindi, più aumentano le vibrazioni atomiche, più aumenta la resistività, in un crescendo di causa-effetto.

Alle alte temperature si ha la massima resistività quando gli elettroni del flusso di corrente, eccitati, vengono espulsi dagli atomi per le eccessive vibrazioni e dispersi nella massa, ostacolando così il percorso e aumentando la resistività.

Ora, gli elettroni trasportano sia la carica che l’energia.

La conduttività elettrica nei metalli è definita come il rapporto tra la densità della corrente e l’intensità di un campo elettrico e diminuisce all’aumentare della temperatura.

La conduttività termica è il rapporto tra flusso di calore e gradiente spaziale di temperatura e, anche se non per tutte le sostanze, aumenta all’aumentare della temperatura.

Ne consegue che la conducibilità termica è inversamente proporzionale alla conducibilità elettrica.

L’ipotesi che aveva messo in discussione e quindi rigettato la vecchia teoria sulla generazione del campo magnetico terrestre sosteneva che la convezione termica non avrebbe potuto generare il campo magnetico.

I calcoli degli studi relativi affermavano che la resistività del metallo fuso nel nucleo terrestre, generato dalla diffusione di elettroni, sarebbe stata troppo bassa e la conducibilità termica troppo elevata per consentire alla convezione termica di generare il campo magnetico.

La nuova ricerca di Cohen, Zhang e Haule mostra che la causa di circa la metà della resistività totale, trascurata a lungo, deriverebbe dalla dispersione degli elettroni che sarebbero invece completamente liberi, piuttosto che condizionati dalle vibrazioni atomiche.

“Abbiamo scoperto un effetto che era rimasto nascosto, anche se in bella vista, per circa ottant’anni”, ha affermato Cohen. “Ora, la teoria della dinamo originale è ampiamente rivalutata!”.