Neutrini e fuoco interno della Terra

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21/05/2015 20:52 - 10/02/2017 12:47 #166 da P. Strolin
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Neutrini e fuoco interno della Terra
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Per domande: autori o Domanda a un esperto
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Siamo affascinati dai misteri del Cosmo e dimentichiamo che viviamo su corpo celeste: il "pianeta Terra", mostrato in figura 1 come visto dallo Spazio extraterrestre. Come il Cosmo, il pianeta Terra ha interrogativi e misteri.



Fig. 1. La Terra e la Luna viste dalla sonda NEAR (1998)
Immagine NASA
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Fig. 2. Il cuore dell’esperimento Borexino al Laboratorio sotterraneo del Gran Sasso
Immagine Expedition Zukunft

Uno di questi misteri riguarda quello che possiamo chiamare il “fuoco interno della Terra”, ossia la sorgente del calore emanato dal suo interno. Senza tale calore, la Terra sarebbe un pianeta inerte. L’energia da esso fornita alimenta i moti convettivi nel “Mantello” terrestre, che influenzano i fenomeni vulcanici e i movimenti tettonici .

Da dove proviene l'energia che lo produce? E’ solo calore primordiale, emanato da un pianeta che si sta raffreddando dal tempo della sua formazione? Nel Mantello terrestre possono anche aver luogo processi nucleari esogeni (cioè con emissione di calore) dovuti alla Radioattività. I vettori d’informazione sperimentale sono i neutrini generati in tali processi (i cosiddetti “geo-neutrini”), che grazie al loro potere di penetrazione raggiungono imperturbati la superficie terrestre.

In effetti, gli esperimenti KamLAND in Giappone e Borexino al Laboratorio del Gran Sasso hanno scoperto l’emissione di geo-neutrini provenienti da decadimenti radioattivi di Uranio-238 e Torio-232 nel Mantello terrestre e fornito una prima stima del loro contributo al calore emanato dall’interno della Terra. Le osservazioni effettuate hanno iniziato a portare informazioni di assoluta novità e aperto nuove prospettive. Di questo parleremo, dopo un breve excursus storico per prendere coscienza delle radici profonde degli interrogativi sul calore terrestre.

Come propedeuticità, segnaliamo che alla Radioattività sono dedicati alcuni articoli e in particolare Radioattività e decadimenti nucleari . Le principali proprietà dei neutrini sono delineate in Interazione Elettro-Debole e Hic sunt neutrini .

La figura 2 potrebbe sembrare opera della fantasia di un artista. In realtà essa fornisce un’immagine del cuore dell’apparato sperimentale di Borexino, in un accostamento esteticamente singolare con la figura 1. Ne parleremo in seguito e un’immagine più completa sarà data in figura 8.



Fig. 3. Platone ritratto da Silanion (circa 370 a.C.)
Copia di epoca romana, Musei Capitolini, Roma
Immagine Wikimedia
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Fig. 4. Inferno: gli avari (fine XI – inizio XII secolo)
Basilica di S. Maria dell’Assunta
Torcello (Laguna di Venezia) - Immagine Bisanzio


Fuoco interno della Terra

L’idea di un fuoco interno della Terra è già presente nella mitologia dell’antica Grecia, nel cui mondo sotterraneo dei morti (Ade) vi sono cinque fiumi: Stige, Lete, Cocito, Acheronte e Piriflegetonte (ossia ardente di fuoco).

La figura 3 mostra Platone (circa 425-348 a.C.) nel “ ritratto idealizzato ” eseguito da Silanion su commissione di Mitridate re di Persia per l’ Accademia di Atene fondata dal filosofo stesso, in una bella copia di epoca romana. Platone collega il vulcanismo al Piriflegetonte:

Avvoltosi dunque più volte intorno alla terra, s’immette sottoterra più in basso del Tartaro; questo fiume, dunque, è quello che denominano Piriflegetonte, cui rivoli sono anche gli spruzzi di lava che affiorano dove capita sulla terra”.
( Fedone, 32-113b )

Il Tartaro citato da Platone è il profondo mondo sotterraneo dei morti puniti da Zeus. Secondo Omero (VI secolo a.C.) esso è "tanto lontano dall’Ade quanto la terra dal cielo(Omero, Iliade, VII 10) .

Il fuoco interno della Terra si ritrova anche nell’Inferno cristiano. La figura 4 mostra gli avari tra le fiamme dell’Inferno - con i gioielli che hanno troppo amato – rappresentati in un mosaico di epoca bizantina in quello scrigno di storia e bellezza aperto verso la laguna veneta che è Torcello, raggiungibile da Venezia in una navigazione che in poche ore appare portare lontano nello spazio e nel tempo.


Fig. 5. I monti vulcani come sfiatatoi di fuoco interno della Terra
Da Athanasius Kircher, Mundus subterraneus (1664)
Immagine ad alta definizione Klaus-Peter Kelber – University of Würzburg

Athanasius Kircher (1602-80) fu un genio eclettico che spaziò dagli studi orientali (fu un precursore negli studi sull’interpretazione dei geroglifici), alla geologia, alla medicina e non solo. Con Kircher, il fuoco interno della Terra mise piede, diciamolo in senso figurato, nel mondo della Scienza. Egli formulò una proto-teoria scientifica, nella quale viene postulato che esso alimenti il vulcanismo attraverso una serie di canali e camere infuocate intermedie.

La figura 5 mostra una immaginifica illustrazione del suo "Systema Ideale PYRO-PHYLACIORUM Subterraneorum, quorum montes Vulcanii, veluti spiracula quaedam existant" (Sistema concettuale di canali ignei sotterranei, delle quali i monti vulcani sono come degli sfiatatoi).

Notate la dizione monti vulcani e ricordate che ai tempi di Pompei il Vesuvio era considerato una montagna. Kircher pittorescamente qualifica i monti vulcani come sfiatatoi del fuoco interno della Terra. La tavola è tratta dalla sua opera Mundus subterraneus . Potete anche soddisfare la curiosità di sfogliare pagina a pagina l’edizione del 1678.
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Fig. 6. Moti convettivi nel Mantello - Immagine Altervista
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Energia motrice

La figura 6 mostra l’interno della Terra, schematicamente suddiviso in tre strati: Crosta , Mantello e, al suo centro, Nucleo .

La natura fluida del Mantello permette che s’instaurino dei moti convettivi , energeticamente alimentati dal calore interno della Terra e, in particolare, da calore che sia generato nel Mantello stesso. I moti convettivi nel Mantello consistono nello sprofondare di porzioni alte diventate più fredde e dense e nell’emergere di porzioni calde. Essi inducono movimenti delle placche tettoniche e aprono la strada alla risalita di magma verso la superficie. Il meccanismo è simile a quello che fa circolare l’acqua in un impianto domestico a termosifone.

Il ruolo di caldaia è giocato dal calore emanato dall’interno della Terra. Si stima che in totale gli corrisponda una potenza (energia per unità di tempo) di circa 50 Terawatt (1 Terawatt = 1012 Watt, ossia un milione di milioni di Watt). Un paragone testimonia in modo impressionante l’impatto dell’uomo sul pianeta: il consumo energetico mondiale corrisponde a una potenza di circa 15 Terawatt e continua a crescere al ritmo di qualche % all’anno.

Il calore totale emanato equivale al solo 0,03 % dei circa 170 Terawatt di radiazione solare intercettata e assorbita, ma basta per generare i suddetti imponenti fenomeni.


Quale sorgente?

Quale è la sorgente del calore emanato? Proviene unicamente dal capitale energetico primordiale lasciato alla Terra al tempo della sua formazione (circa 4,5 miliardi di anni fa), che è gradualmente dissipato? Vi sono contributi provenienti da processi tuttora attivi? La stima del calore primordiale è indiretta e più difficile di quella di quello totale emanato. Per sapere se vi sono processi attivi è necessario evidenziarli direttamente.
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Fig. 7. Il decadimento β- di un nucleo
implica quello di un neutrone in protone
Immagine Wikipedia
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Un contributo può provenire da un altro capitale energetico inglobato dalla Terra: quello nucleare. Per l’equivalenza einsteiniana massa-energia, i nuclei atomici possiedono energia sotto forma di massa. Parte della massa è convertita in energia quando un nucleo evolve in uno stato di massa inferiore. Questo accade nei “decadimenti nucleari”, che si manifestano come radioattività (vedete Radioattività e decadimenti nucleari ).

Tra gli isotopi radioattivi presenti in natura, l’Uranio-238 e il Torio-232 sono particolarmente rilevanti e hanno abbondanze isotopiche che coprono la quasi totalità dei rispettivi elementi chimici. La loro presenza nella Crosta terrestre può essere ragionevolmente stimata e, per affinità di composizione chimica, si può presumere che essi siano presenti anche nel Mantello.

I tempi di dimezzamento dell’Uranio-238 e del Torio-232 sono rispettivamente 4,5 e 14,1 miliardi di anni. Complesse catene di decadimento portano da essi a isotopi del Piombo e comportano l’emissione di energia, resa disponibile nel decadimento e quantitativamente conosciuta. In linea di principio, essi danno contributo (detto “radiogenico”) al calore terrestre. Come valutare sperimentalmente il suo ammontare totale?


Calore radiogenico e geo-neutrini

Le catene di decadimento dei suddetti isotopi radioattivi includono un certo numero di “decadimenti β”, nei quali un neutrone contenuto nel nucleo atomico si trasforma in protone emettendo un elettrone. Come esposto in Interazione Elettro-Debole e illustrato in figura 7, nel decadimento β di un neutrone è emesso anche un “neutrino”. Più precisamente è emesso un anti-neutrino, ma in questo contesto la differenziazione è un dettaglio.

Questi neutrini (detti “geo-neutrini”, etichettandoli con la loro provenienza) raggiungono la superficie terrestre senza essere significativamente perturbati da interazioni con la materia attraversata. Così, una determinazione del loro flusso permette di “misurare” il calore radiogenico.

Lo stesso motivo che rende la Terra essenzialmente trasparente ai neutrini fa sì che la loro probabilità d’interazione in un apparato sperimentale sia bassissima. La misura è quindi particolarmente difficile.



Fig. 8. Gli “occhi elettronici” di Borexino al Laboratorio del Gran Sasso
Immagine Assergi racconta
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Fig. 9. I geo-neutrini osservati da Borexino
Immagine Borexino

Osservazione di geo-neutrini

Gli esperimenti KamLAND e Borexino in laboratori sotterranei - in Giappone e al Gran Sasso – sono stati progettati per lo studio di processi rari in fisica e astrofisica del neutrino, osservando neutrini prodotti dal Sole o da reattori nucleari. Le esigenze sperimentali per l’osservazione di geo-neutrini sono simili, anche se il flusso è molto minore.

La figura 8 mostra parte degli “occhi elettronici” (“ fotomoltiplicatori ”) che all’interno di Borexino registrano la luce prodotta in un “ liquido scintillante ” dalle particelle elettricamente cariche generate nelle interazioni dei neutrini con la materia che lo costituisce: così essi “vedono” i neutrini. KamLAND e Borexino sono stati anche capaci di osservare i geo-neutrini .

L’identificazione dei geo-neutrini è effettuata identificando nella distribuzione in energia (“spettro”) dei neutrini osservati le caratteristiche attese per i decadimenti radioattivi di Torio e Uranio. I punti (con larghe croci di errore, essenzialmente dovuto alla limitata statistica) in figura 9 mostrano la distribuzione in energia dei soli 46 “candidati geo-neutrini” osservati da Borexino in cinque anni di presa dati: meno di uno al mese.

La figura mostra anche (in arancione) il risultato di un calcolo che fornisce una previsione del “rumore di fondo”, cioè dei segnali spuri che possono essere confusi con quello di un geo-neutrino. In particolare, esso include quello proveniente da neutrini prodotti da reattori nucleari. Rispetto a KamLAND, Borexino è largamente favorito dall’assenza di centrali nucleari vicini, date le diverse politiche finora seguite da Italia e Giappone in materia di energia nucleare. Un paragone con i dati sperimentali mostra che il rumore di fondo previsto non basta per riprodurne lo spettro: vi è un eccesso a bassa energia.

I dati sperimentali sono invece riprodotti includendo geo-neutrini generati in decadimenti radioattivi naturali di Torio-232 e Uranio-238, in opportune proporzioni. In figura, il contributo stimato da geo-neutrini è indicato in giallo e mostra due picchi. Quello a energia più bassa corrisponde al Torio-232 e l’altro all’Uranio-238. Un contributo al calore radiogenico è atteso anche dal decadimento del Potassio-40, ma i neutrini emessi hanno energia troppo bassa per essere osservati dagli attuali apparati sperimentali. In conclusione, i dati indicano l’esistenza di un contributo radiogenico, pur di entità tale da lasciare ampio spazio per un contributo primordiale.

Per stimare il contributo dei geo-neutrini provenienti dal Mantello è necessario ripercorrere brevemente le origini del Pianeta Terra. La formazione dei pianeti del Sistema Solare è avvenuta mediante la progressiva aggregazione di polveri che hanno dato origine prima a blocchi rocciosi chiamati planetesimi e che a loro volta hanno dato origine ai pianeti.

L'evoluzione della Terra, degli altri pianeti e di alcuni asteroidi è passata attraverso un ulteriore processo: la differenziazione interna . Il calore generato dalla gravità e dalla radioattività produsse una fusione generalizzata del Pianeta Terra, un fenomeno noto come “ catastrofe del ferro ”. Le componenti metalliche, più dense, migrarono verso il centro formando l'attuale Nucleo metallico della Terra.

La formazione della Crosta invece è stato un processo più graduale. La fusione parziale delle rocce del Mantello produsse (e produce) magmi che, essendo meno densi, migrarono verso l'alto fino a eruttare in superficie o solidificare a bassa profondità. Durante la fusione parziale i magmi si arricchirono in elementi chimici che “ non amano ” i minerali che compongono il Mantello. Tra questi elementi ci sono proprio l'Uranio ed il Torio. Nel corso della sua evoluzione quindi, il Mantello si è impoverito di elementi radiogenici.

Un modo diretto per stima il contenuto di Uranio-238 e Torio-232 nel Mantello è quello di studiare alcuni tipi di xenoliti , ovvero frammenti di Mantello trascinati verso la superficie dai magmi. Questi frammenti, tuttavia, sono rappresentativi solo della parte meno profonda del Mantello (meno di circa 100 km).

Per valutare correttamente il contenuto di Uranio-238 e Torio-232 nel Mantello è necessario considerare la composizione degli oggetti più primitivi del Sistema Solare: le meteoriti condritiche . Questi oggetti sono i residui del processo di formazione dei pianeti e si ritiene che la loro composizione rappresenti quella media della Terra e dei pianeti interni. Il contributo della Crosta può essere stimato attraverso l’osservazione diretta e attraverso metodi geologici. Sottraendo questo contributo da quello dedotto dalle condriti, è quindi possibile ottenere una stima della concentrazione degli elementi radiogenici nel Mantello.

Un’ analisi combinata dei dati di KamLAND e Borexino ha similmente dato una prima stima del contributo dal Mantello, dell’ordine di un Terawatt.

Avrete notato che non abbiamo riportato risultati numerici di misure con il loro errore sperimentale. In effetti, una stima del flusso globale di geo-neutrini osservandoli in solo due punti del globo terrestre richiede un modello della loro distribuzione ed è quindi “teoria-dipendente”. Inoltre, la stima del contributo dal Mantello soffre dell’errore nella sottrazione del contributo dalla Crosta. Vi è ancora molto lavoro da fare.



Fig. 10. L’apparato sperimentale di Hanohano sulla
chiatta da cui verrebbe immerso nell’oceano
Immagine Hanohano

Fig. 11. Mappa del flusso di geoneutrini dal Mantello e
tre possibili collocazioni di Hanohano
Immagine Sramek et. al.

Guardando avanti

Quelle di KamLAND e Borexino sono le prime osservazioni di geo-neutrini. Uno studio del contributo radiogenico al calore terrestre richiede anzitutto apparati sperimentali di massa almeno dieci volte più grande di quella (dell’ordine di 1000 tonnellate) di KamLAND e Borexino, al fine di aumentare il numero di geo-neutrini osservati. La dipendenza dalla teoria può essere ridotta aumentando il numero di punti di osservazione. Infine, il contributo dal Mantello può essere misurato più accuratamente da un apparato sperimentale collocato nelle profondità oceaniche, ove lo spessore della Crosta è minimo.

Queste considerazioni hanno stimolato la proposta di un apparato sperimentale mobile, montato su una specie di una “astronave”, ma per l’oceano profondo. L’apparato sperimentale proposto è detto Hanohano ed è rappresentato in figura 10, sulla chiatta da cui verrebbe immerso nell’Oceano. La figura 11 mostra una mappa del flusso di geo-neutrini dal Mantello, riferita al suo valore medio. Si vede che esso è massimo in corrispondenza degli oceani. I triangoli rovesciati mostrano tre collocazioni previste nell’Oceano Pacifico per Hanohano.


Fig. 12. Il treno di proiettili per la Luna
Jules Verne, Dalla Terra alla Luna (1865)
Illustrazioni di Henri de Montaut
Immagine J.-V. Gilead – A. Evans

Fig. 13. Jules Verne, Viaggio al Centro della Terra (1864)
Illustrazioni di Edouard Riou
Immagine J.-V. Gilead


Esplorazione di Spazio e Terra, da Giulio Verne a oggi

Con i suoi Viaggi straordinari Giulio Verne (1828-1905) fu un precursore della letteratura di Fantascienza. Le figure 12 e 13 sono rispettivamente tratte da Dalla Terra alla Luna e da Viaggio al Centro della Terra , pubblicati tra il 1864 e il 1865. Per situarle in parallelo alla storia della Scienza, erano gli anni in cui James Clerk Maxwell con le sue famose equazioni unificava la descrizione teorica dei fenomeni elettrici e magnetici. La rivoluzione scientifica iniziata nel secolo successivo con la Teoria dei Quanti e la Teoria della Relatività era ancora relativamente lontana e, con essa, la fisica moderna e le sue applicazioni. Sono passati centocinquanta anni: confrontiamoci con il presente.

La conoscenza dello Spazio mediante strumenti collocati su Terra ha avuto uno straordinario sviluppo, iniziato nel Seicento con il cannocchiale di Galileo. Sono nate l’Astrofisica e la Cosmologia. Con esse studiamo le proprietà dei corpi celesti a vertiginose distanze da noi e proiettiamo la conoscenza all'indietro verso le origini dell’Universo e in avanti verso il suo futuro.

Non solo: il “treno di proiettili per la Luna di figura 12 ha trovato realtà nei razzi multistadio per l’esplorazione dello Spazio e per l’esplorazione del Cosmo dallo Spazio, tramite strumenti collocati su sonde o stazioni spaziali. Il sensazionale inizio avvenne nel 1957 con la messa in orbita del primo satellite artificiale (lo Sputnik ) e del primo essere vivente, la cagnetta Laika da parte dell'Unione Sovietica. Negli USA fu creata l’Agenzia Spaziale NASA per competere con essa nella “corsa allo Spazio”, con un forte aspetto politico oltre a quello scientifico: erano i tempi della cosiddetta " guerra fredda ", secondo un'espressione coniata alla fine della guerra tremenda dal sempre visionario George Orwell (1903-50). Suo è il famoso libro La fattoria degli animali (1945), da cui per dare un esempio del personaggio citiamo: "The creatures outside looked from pig to man, and from man to pig, and from pig to man again; but already it was impossible to say which was which" ("Gli animali da fuori guardavano il maiale e poi l'uomo, poi l'uomo e ancora il maiale: ma era ormai impossibile dire chi era l'uno e chi l'altro", La fattoria degli animali, Capitolo 10) . Parole valide per quei tempi, ma non solo.

Le risorse ingenti investite nel programma Apollo portarono infine l’uomo a mettere realmente piede sulla Luna, nel 1969. Le imprese spaziali di oggi sono aperte a tutti i paesi che ne hanno i mezzi e – uscendo dalla gravitazione terrestre – è iniziata l’esplorazione del Sistema Solare tramite sonde. Ora non vediamo solo lo Spazio dalla Terra, ma anche Terra e Luna dallo Spazio come in figura 1.

Enormi progressi sono stati fatti anche nella conoscenza dell’interno della Terra, come qui testimoniato dalla figura 6. La figura 13, con i suoi ripidi meandri sotterranei esplorati a lume di candela, mostra che anche la fantascienza di Verne si trovava in difficoltà nell'immaginarne i mezzi. Tuttavia, gli investimenti e gli sforzi fatti non sono neanche paragonabili a quelli profusi per l’esplorazione dello Spazio. Un programma come Apollo non ha corrispondenti.

Le particelle elementari, nella fattispecie i geo-neutrini emessi da nuclei radioattivi, ci sono ora offerte come penetrantissime luci di candela per esplorare le profondità della Terra. In linea di principio, Hanohano potrebbe entrare nel quadro di una nuova fase nell'indagarle. Per complemento di informazione, potete vedere quanto segue.

G. Bellini, P. Strolin e H.K.M. Tanaka, Penetrare i misteri della Terra , Le Scienze, Agosto 2015

P. Strolin e H.K.M. Tanaka, Alliance to Penetrate Mysteries of the Deep Earth , Seminario al Workshop Muographers 2014, Tokyo, Novembre 2014.



Professore Emerito di Fisica Sperimentale
Università di Napoli "Federico II"
Complesso Univ. Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 Napoli - Italy
Ultima modifica: 10/02/2017 12:47 da Paolo.

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