Anche se la media è quella, la giornata non dura 24 ore. Le misurazioni effettuate con orologi di alta precisione mostrano che la rotazione terrestre subisce variazioni minime, dell’ordine di pochi millisecondi, che possono accumularsi o diminuire nel corso dei decenni. Uno studio dell’Università dell’Alberta, pubblicato sulla rivista Nature, propone una spiegazione di queste oscillazioni, individuandone l’origine nelle forze gravitazionali e magnetiche che agiscono nelle profondità del pianeta.
La ricerca, condotta dai fisici Huifeng Zhang e Mathieu Dumberry, collega i cambiamenti nella durata del giorno al comportamento del nucleo interno della Terra, una sfera solida situata al centro del pianeta. Secondo il modello elaborato dagli studiosi, la forma irregolare di questa struttura genera un’attrazione gravitazionale sul mantello, lo strato roccioso che circonda il nucleo e comprende la crosta terrestre. L’interazione contribuisce a regolare lo scambio di momento angolare tra le diverse parti della Terra, un meccanismo noto da tempo, ma il cui funzionamento preciso non era stato ancora chiarito.
La Terra, infatti, non ruota come un corpo compatto in cui tutti gli strati si muovono alla stessa velocità. La sua struttura è composta da zone con caratteristiche fisiche, temperature e composizioni differenti. Il mantello, spesso circa 3.000 chilometri, sostiene la crosta e avvolge il nucleo. Al di sotto si trova il nucleo esterno, formato da metallo fuso, mentre al centro è presente il nucleo interno solido. I movimenti del metallo liquido contribuiscono alla generazione del campo magnetico terrestre e le variazioni di quest’ultimo hanno permesso di individuare, da circa trent’anni, cambiamenti anche nella rotazione delle regioni più profonde.
Quando il nucleo interno accelera o rallenta, gli altri strati devono adattare il proprio movimento. Poiché il mantello e la crosta sono collegati alla superficie, la loro velocità determina la durata effettiva del giorno: un rallentamento, anche minimo, allunga il tempo necessario per completare una rotazione, mentre un’accelerazione lo riduce. Le differenze registrate sono impercettibili nella vita quotidiana, ma costituiscono uno strumento importante per studiare l’interno del pianeta, inaccessibile all’osservazione diretta.
L’interazione tra nucleo interno e mantello
Il modello descrive l’interazione tra nucleo interno e mantello come una coppia gravitazionale. La distribuzione non uniforme della massa e la geometria non perfettamente sferica del nucleo interno favoriscono una torsione capace di modificare lievemente la rotazione degli strati superiori. Questa forza, tuttavia, incontra l’opposizione delle forze elettromagnetiche e dell’accoppiamento topografico al confine tra nucleo e mantello. L’attrito e la resistenza elettromagnetica limitano il trasferimento di movimento, contribuendo a determinare le oscillazioni osservate.
Il processo rispetta il principio di conservazione del momento angolare: la quantità complessiva rimane costante, ma può essere redistribuita tra le diverse componenti terrestri. Se il nucleo accelera, il mantello può rallentare leggermente; quando il nucleo perde velocità, il mantello può invece aumentarla. Secondo lo studio, le variazioni della durata del giorno dipendono proprio dall’equilibrio tra queste forze e dai cambiamenti che lo interessano nel tempo.
Le oscillazioni analizzate raggiungono diversi millisecondi e si sviluppano in cicli compresi tra 10 e 70 anni. Zhang e Dumberry hanno esaminato le registrazioni della durata del giorno dal 1964 al 2019, distinguendo le variazioni decennali da altri fenomeni. Tra questi rientrano le maree provocate dall’attrazione gravitazionale della Luna e del Sole, i venti atmosferici, gli spostamenti delle masse oceaniche e le variazioni stagionali. Su scale di milioni di anni, inoltre, l’attrito delle maree lunari contribuisce al progressivo allungamento delle giornate.
Le variazioni decennali considerate dalla ricerca sono invece attribuite al trasferimento di quantità di moto tra nucleo e mantello. Per ricostruire questo processo, gli autori hanno combinato le misurazioni della durata del giorno con i dati geomagnetici e sismici. Le onde sismiche, attraversando materiali e strutture differenti, forniscono indicazioni sulla rotazione differenziale del nucleo interno. Le variazioni del campo magnetico permettono invece di dedurre i flussi di metallo liquido vicino alla sommità del nucleo esterno. La concordanza tra queste informazioni e le oscillazioni misurate sostiene l’ipotesi di un’origine profonda del fenomeno.
I risultati
I risultati offrono anche indicazioni sulle proprietà fisiche del nucleo interno. Gli autori ipotizzano che abbia una viscosità relativamente bassa, cioè una limitata resistenza alla deformazione. Nonostante sia solido e sottoposto a pressioni estreme, potrebbe quindi modificare la propria forma in tempi relativamente brevi, anche nell’arco di pochi anni o di circa un decennio. Questa possibilità suggerisce che il centro della Terra sia più dinamico di quanto la sua natura solida possa far pensare.
Il modello è inoltre compatibile con specifiche caratteristiche della base del mantello, tra cui accumuli termochimici con galleggiabilità quasi neutra, una fase minerale a bassa viscosità chiamata post-perovskite e uno strato conduttivo ricco di ferro, spesso diversi chilometri. La presenza di ferro favorirebbe la conduzione elettrica e rafforzerebbe l’interazione tra il metallo fuso e le rocce profonde, mentre la post-perovskite influenzerebbe le proprietà meccaniche del mantello. La ricerca pone anche limiti alla possibile stratificazione nella parte superiore del nucleo esterno, un elemento importante per comprendere la circolazione del metallo liquido e l’evoluzione del campo magnetico.
La durata del giorno emerge così come una misura indiretta dei processi che avvengono a migliaia di chilometri sotto la superficie. Le minime variazioni della rotazione terrestre riflettono gli scambi di momento angolare tra mantello, nucleo esterno e nucleo interno. Secondo lo studio pubblicato su Nature, le oscillazioni decennali derivano dall’equilibrio dinamico tra gravità, magnetismo e attrito. Il perfezionamento delle osservazioni sismiche e geomagnetiche potrà contribuire a definire con maggiore precisione questi meccanismi e le caratteristiche delle regioni più profonde del pianeta.
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