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Urania - Asimov d'appendice
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L'INTERNO DELLA TERRA - Isaac Asimov
Titolo originale: Far far below

Qualche anno fa, un produttore hollywoodiano mi propose di scrivere la sceneggiatura di un film su un viaggio al centro della Terra.
Gli feci notare che ce n'era già stato uno di successo sull'argomento, con James Mason e Pat Boone, e lui mi disse che lo sapeva perfettamente ma che, da allora, la tecnica degli effetti speciali aveva fatto progressi enormi, per cui era possibile girarne una versione molto più spettacolare.
- Scientificamente accurata? - chiesi.
- Ma sicuro - mi rispose con slancio, senza rendersi esattamente conto di che cosa prometteva.
Glielo spiegai io. - Niente discese lungo caverne interminabili - dissi - né voragini al centro della Terra; niente mondi interni, mari sotterranei, dinosauri o cavernicoli. La Terra sarà descritta come compatta, piena di materiali ad altissime temperature.
Lui ebbe un momento di incertezza. - Ma riuscirai a ricavarne una storia interessante?
- Certamente - dissi, con la tranquilla fiducia che nasce da una lunga esperienza.
- Benissimo, allora - concluse lui.
Così buttai giù un soggetto a mio parere interessantissimo e rigorosamente scientifico, a parte il fatto che le mie navi passavano senza difficoltà attraverso le pareti di roccia e rimanevano indenni anche in mezzo al ferro fuso (qualche licenza poetica ci vuole).
Dopo aver rintuzzato vari tentativi per introdurvi altre assurdità, quando già credevo di aver dato un quadro fedele del centro della Terra, i signori di Hollywood me lo bocciarono, inesorabilmente.
Se il cinema ci darà un futuro viaggio al centro della Terra, il pianeta sarà cavo all'interno, con un piccolo Sole radioattivo proprio in mezzo e ci saranno oceani sotterranei, dinosauri, cavernicoli e attrici bellissime con abiti ridotti al minimo.
Ma senza il mio aiuto!

Ma perché si pensa che la Terra all'interno sia vuota? Forse l'idea è nata dalla presenza di caverne sul pianeta, alcune delle quali sono veri e propri labirinti, in parte ancora inesplorati. E siccome gli abissi già noti scendevano a volte a grandi profondità, era facile immaginare che alcuni arrivassero fin dove nessuno si sarebbe mai sognato di spingersi.
Anche la credenza comune in un mondo sotterraneo, dove hanno dimora le anime dei morti, può essere stata all'origine della nozione della Terra vuota al centro, una volta ammesso che il nostro pianeta sia un corpo sferico. La Divina Commedia è la massima espressione letteraria di una Terra cava, che racchiude nel suo interno l'Inferno.
Una Terra vuota è anche una concezione altamente drammatica, ispiratrice di invenzioni interessanti e di avventure emozionanti.
Il primo racconto importante sulla Terra cava fu quello di un danese, Ludvig Holberg (1684-1754), che scrisse in latino Nicholas Klim sottoterra. Pubblicato nel 1741, fu rapidamente tradotto in tutte le lingue europee. La storia prevedeva un Sole al centro della Terra, circondato da minuscoli pianeti, che formavano un vero e proprio microsistema solare.
L'invenzione romanzesca fu tradotta in "scienza" da un certo John Cleeve Symmes (1742-1814), che sostenne che la Terra non era sferica, ma aveva la forma di una ciambella. Vicino al polo nord e al polo sud si aprivano due grossi fori, che naturalmente erano intercomunicanti.
Symmes poteva tranquillamente fare queste affermazioni, perché ai suoi tempi le regioni polari erano ancora avvolte nel mistero ed era impossibile controllare se le due voragini esistevano o meno. Naturalmente Symmes trovò dei sostenitori convinti tra un buon numero di anime candide, per la nota regola che più si dicono assurdità, più c'è gente disposta a crederci (per rendersene conto, basta osservare il mondo contemporaneo).
L'idea fu una vera manna per gli scrittori di fantascienza. Edgar Allan Poe (1808-1848), nella Discesa nel Maelstrom, uscito nel 1842, descrive la drammatica avventura di una nave catturata da un gorgo gigantesco nelle regioni polari dove, cioè, l'oceano s'inabissa senza posa nella voragine nord di Symmes (c'è da sperare che le acque riaffiorino da qualche parte, altrimenti a quest'ora gli oceani sarebbero prosciugati).
Jules Verne (1828-1905) evitò con cura le voragini sottomarine, ma nel Viaggio ai centro della Terra del 1864, il punto di partenza è sempre situalo nell'estremo nord - stavolta in un vulcano islandese. Gli esploratori di Verne, scendendo nelle viscere del pianeta, s'imbattono in un oceano, popolato di rettili giganteschi, di mastodonti e di cavernicoli.
Più vicini a noi, abbiamo i racconti di Edgar Rice Burroughs (1875-1950) che, a cominciare da Il centro della Terra del 1922, scrisse tutta una serie di avventure su Pellucidar (come aveva battezzato il mondo sotterraneo).
Eppure, già nel 1798 si sapeva che la Terra non è cava e che Symmes aveva parlato a vanvera.

Nel 1798, il fisico inglese Henry Cavendish (1731-1810) determinò con notevole precisione la massa del nostro pianeta in circa seimila miliardi di miliardi di tonnellate. Oggi è calcolata in 5.976.000.000.000.000.000.000 tonnellate. Partendo da questi dati e dal volume noto del pianeta, si ottiene una densità media del materiale terrestre di 5.518 chilogrammi per metro cubo.
La densità dello strato roccioso della Terra è, comunque, pari a 2.600 chilogrammi per metro cubo, mentre la densità dell'oceano supera di poco i 1.000 chilogrammi per metro cubo. Se a questo punto il pianeta fosse cavo al suo interno, non si spiegherebbero né la sua densità media né la massa totale.
Se consideriamo la massa della Terra, ne concluderemo non soltanto che il pianeta non è vuoto all'interno, ma che è composto di un materiale molto più denso di quello della superficie.
O in altre parole: supponiamo che la massa della Terra sia di 6 mila miliardi di miliardi di tonnellate e che questa massa immane sia interamente concentrata in un involucro relativamente sottile che racchiude una cavità centrale. In tal caso, il campo gravitazionale sarebbe così intenso da stritolare l'involucro, accartocciandolo e trasformandolo in una sfera (o in uno sferoide schiacciato ai poli, se il corpo ruota attorno al proprio asse). Naturalmente non esisterebbero spazi vuoti, spazzati via dal campo gravitazionale.
Sulla Terra, beninteso, ci sono le caverne, ma si tratta di fenomeni limitati alla superficie, irregolarità trascurabili, paragonabili alle catene montuose e alle valli che incrinano appena la liscia sfericità del nostro pianeta.

Lasciamo ora da parte le assurde invenzioni degli pseudo scienziati e il romanticismo degli scrittori di fantascienza, e diamo per scontato che la Terra sia densa e totalmente priva di spazi vuoti al suo interno. Il prossimo problema sarà: di che cosa è fatto il centro del pianeta?
Non è una risposta facile, perché, per il momento, non ci è possibile osservare direttamente il materiale di cui è composta la Terra se non a pochi chilometri di profondità. Mentre siamo in grado di percorrere 380.000 chilometri nello spazio e di riportare campioni di materia dalla superficie della Luna, non riusciamo nemmeno a scendere a quindici chilometri nelle viscere del pianeta. Mandare una sonda per 6.400 chilometri fino al centro della Terra resterà ancora un sogno per moltissimo tempo.
È possibile però ricavare deduzioni intelligenti dalle osservazioni condotte sulla superficie terrestre. La crosta del pianeta, per esempio, che ci è consentito di osservare direttamente, è di natura rocciosa. Secondo la conclusione più semplice, la Terra sarebbe composta interamente di roccia, e più scendiamo in profondità più la roccia sarebbe compatta, perché i vari strati premono sugli strati inferiori, sempre più compressi e dunque più densi.
Ora noi siamo in grado di studiare la risposta delle rocce alla compressione. È vero che solo di recente siamo riusciti a ottenere (e in via temporanea) compressioni pari a quelle cui è sottoposto il centro della Terra, comunque si è accertato che la roccia non è sufficientemente comprimibile. Se dunque il nostro pianeta fosse, da un polo all'altro, un solo blocco di roccia, le densità al suo interno non sarebbero tali da spiegare una pressione media complessiva di 5.518 chilogrammi per metro cubo. Evidentemente l'interno della Terra è composto di un materiale più denso della roccia a pressione zero, e suscettibile di densità maggiori in condizioni di pressione più elevate.
Il nuovo materiale era comparso in scena per tempo.
Nel Cinquecento, il fisico inglese William Gilbert (1540-1603), nel corso di un esperimento con una sfera di "magnetite" (un ossido di ferro presente in natura), osservò il comportamento dell'ago magnetico in prossimità della sfera. L'ago si comportava esattamente come se rispondesse al campo magnetico terrestre, e fu facile concludere che la Terra era un magnete sferico.
Ma perché quel materiale aveva proprietà magnetiche? Le rocce che compongono la crosta terrestre non sono normalmente magnetiche e la magnetite rappresenta un'eccezione trascurabile. Supponiamo, allora, che il centro della Terra sia di magnetite solida. Questo minerale, a pressione zero, ha una densità di 5.200 chilogrammi per metro cubo, il doppio cioè di quella delle rocce normali della crosta terrestre, e di conseguenza, sotto le alle pressioni del centro del pianeta, avrebbe una densità maggiore, rispetto a quelle rocce. Ma neanche la magnetite raggiungerebbe una densità sufficiente.
Facciamo allora l'ipotesi che l'interno della Terra sia formato da una massa di ferro solido. Questa massa avrebbe proprietà magnetiche e la densità del ferro, a pressione zero, è di 7.860 chilogrammi per metro cubo, tre volte quella delle rocce della crosta terrestre. Questa volta la densità sarebbe sufficiente.
Verso il 1820, gli scienziati convennero che i meteoriti erano frammenti di materia solida che arrivavano sulla Terra dallo spazio. Studiando i meteoriti, si notò che ne esistevano di due tipi, i "rocciosi" e i "ferrosi". I primi erano costituiti da materiali non molto diversi da quelli della crosta terrestre; gli altri, invece, erano composti quasi interamente da un insieme di ferro e nichel, nella proporzione di nove a uno. (Il nichel, come il ferro, possiede proprietà magnetiche. Il composto ferro-nichel potrebbe servire da magnete planetario.)
Nell'Ottocento si riteneva che gli asteroidi fossero avanzi di un pianeta che ruotava in orbita tra Marte e Giove e che, per qualche misterioso motivo, era esploso. Era dunque ragionevole supporre che l'esterno della crosta di quel pianeta fosse di natura rocciosa, mentre l'interno era in ferro e nichel, come i due tipi di meteoriti.
Nel 1866, un geologo francese, Gabriel Auguste Daubrée (1814-1896), avanzò l'ipotesi che anche la Terra avesse una struttura analoga, e cioè una crosta rocciosa attorno a un nucleo centrale di ferro e nichel.
Le profondità terrestri, però, non presentavano solo differenze chimiche. Intanto, era evidente che l'interno della Terra era caldo, come dimostravano, senza possibilità di dubbio, le eruzioni vulcaniche. (L'idea di un Inferno di "fuoco e zolfo" si è ispirata sicuramente all'attività vulcanica.)
In tempi più recenti si sono avute prove più sofisticate del calore esistente al centro del pianeta. Così si spiegavano, per esempio, le immani energie dei terremoti; mentre il tipo di cristallizzazione di diverse rocce della crosta terrestre rivela l'esposizione a temperature e a pressioni elevatissime, probabilmente perché si trovavano a grande profondità. E non basta. Scavando miniere sempre più profonde, si notò che la temperatura aumentava man mano che si scendeva nelle viscere della Terra. Ma quel calore, di dove proveniva? Secondo una teoria sulle origini del nostro mondo, i pianeti del sistema solare facevano parte del Sole. La Terra, che inizialmente aveva la stessa temperatura dell'astro, era andata via via raffreddandosi. Cedendo calore, la crosta esterna si era solidificala, mentre la roccia, agendo da isolante, aveva fatto si che il centro del pianeta si raffreddasse molto lentamente, tanto che ancora oggi è caldo. Alcuni scienziati si presero la briga di calcolare il tempo impiegato dalla Terra per raffreddarsi e arrivarono alla conclusione che l'età del nostro pianeta non superava i dieci milioni di anni.
Poi, l'idea di una Terra figlia del Sole fu gradatamente abbandonata. I particolari meccanici dell'operazione dell'espulsione dei pianeti dal Sole e del loro inserimento nell'orbita attuale si rivelarono un problema insolubile. Inoltre, verso il 1920, era ormai chiaro che l'interno del Sole era immensamente più caldo della sua superficie) per cui i frammenti di materia solare, schizzando nello spazio, anziché condensarsi in pianeti, sarebbero evaporati all'istante.
Una teoria rivale, dovuta in origine all'astronomo francese Pierre Simon de Laplace (1749-1827), fu ampiamente sviluppata, nel 1944, dall'astronomo tedesco Carl Friedrich von Weizsäcker (1912) che le diede anche una veste moderna.
Secondo le opinioni più recenti, il Sole e i suoi pianeti si sono formati simultaneamente, in seguito all'agglomerazione di altri corpi più piccoli, e l'elevata temperatura interna della Terra è il risultato della conversione in calore dell'energia cinetica di tutti quei corpi.
Inoltre, nel primo decennio del Novecento, si scoprì che l'uranio e il torio, uniti agli isotopi dei più comuni potassio e rubidio, erano soggetti a collasso radioattivo, con conseguente emissione di calore. La quantità per chilogrammo al secondo era insignificante, ma su scala planetaria bastava per sprigionare un calore notevole, che si mantenne per miliardi di anni, riducendosi solo leggermente.
L'interno della Terra, dunque, non si raffreddava poi tanto in fretta e l'età del pianeta non era di 25 milioni di anni, bensì di 1.600 milioni - che è poi l'età dell'intero sistema solare.
Ma, a parte la questione dell'origine del calore della Terra e della velocità di raffreddamento, rimaneva sempre il problema di come fosse l'interno del pianeta.
Si ritenne inizialmente che, data l'alta temperatura e la profondità, a ottanta chilometri al di sotto della crosta terrestre tutto fosse allo stato fluido, per cui la Terra era essenzialmente un'enorme palla di liquido, avvolta da una crosta solida relativamente sottile. Si oppose all'ipotesi il fisico scozzese Lord Kelvin (1824-1907), che fece osservare che una crosta solida così sottile sarebbe stata estremamente fragile e non avrebbe resistito all'azione di attrazione della Luna e del Sole. Effettivamente gli effetti delle maree sulla superficie solida del pianeta dimostrano che la Terra è dura come l'acciaio.
Verso gli inizi del nostro secolo si avanzò l'ipotesi che le alte temperature all'interno fossero, per così dire, neutralizzate dalle alte pressioni. Sebbene le temperature fossero così elevate da fondere la roccia e il metallo alla pressione normale di superficie, l'aumento della pressione nelle viscere del pianeta manteneva la materia allo stato solido, benché, al centro, la temperatura toccasse i 6.000 °C. In altre parole la Terra, al suo interno, era solida (o almeno così pareva).
A questo punto, sorse un altro problema. Nel 1895, il chimico francese Pierre Curie dimostrò che le sostanze magnetiche si smagnetizzano quando la temperatura supera un determinato livello (il "punto Curie") che, per il ferro, è di 760 °C. Ora, la temperatura al centro della Terra è senz'altro superiore a questi valori e dunque il centro del pianeta non giustifica il magnetismo terrestre. Per un certo tempo, questo fatto rimase un enigma.

Sul finire del XIX secolo gli scienziati cominciarono a studiare più attentamente i sismi, e scoprirono, in modo del tutto inaspettato, una nuova tecnica per conoscere l'interno della Terra.
Il primo "sismografo" capace di intercettare le onde vibratorie scatenate dai terremoti fu inventato nel 1855 dall'italiano Luigi Palmieri (1807-1896) e fu notevolmente perfezionato dal geologo inglese John Milne (1850-1913), che installò una catena di sismografi in Giappone e in altri paesi. Con lui, nasceva la sismologia moderna.
Quando si verifica un terremoto, le vibrazioni vengono registrate dai vari sismografi in momenti diversi, a seconda della distanza degli apparecchi dall'epicentro del terremoto. Questo fatto ha permesso di misurare la velocità di propagazione delle onde sismiche lungo la crosta terrestre.
Nel 1899 le vibrazioni di un terremoto in Giappone furono registrate 64 minuti dopo in Germania. Ora, se le onde avessero viaggiato lungo la superficie ricurva del pianeta non sarebbero arrivate così rapidamente in Germania. Era evidente che avevano preso una scorciatoia e che avevano tagliato dritto attraverso le viscere della Terra.
Nel 1902 il geologo irlandese Richard Dixhon Oldham (1858-1936), studiando le onde scatenate da un sisma in Guatemala, riusci a dimostrare che, nell'attraversare gli strati più profondi del pianeta, le onde viaggiavano a velocità inferiore a quella con cui superavano gli strati superficiali.
Propagandosi nelle viscere della Terra le onde, in seguito alla variazione di velocità determinata dalla profondità, subivano una brusca deviazione, esattamente come le onde luminose s'incurvano e si rifrangono quando passano dall'aria al vetro o viceversa o le onde sonore che si flettono se attraversano strati d'aria con densità e temperatura diverse.
(Grazie al percorso curvilineo seguito all'interno, le onde sismiche raggiungevano soltanto certe parti della superficie terrestre, escludendone altre, per cui si veniva a creare una "zona d'ombra" dove le vibrazioni non erano avvertite, mentre erano regolarmene registrate in località sia più vicine sia più lontane dall'epicentro.
Nello studiare la natura della zona d'ombra e il tempo impiegato dalle onde sismiche per raggiungere vari punti della superficie terrestre, il geologo tedesco Beno Gutenberg (1889-1960) nel 1912 dimostrò che le onde, quando penetravano oltre una data profondità, subivano una brusca e violenta decelerazione e mutavano nettamente di direzione. Secondo i suoi calcoli, quel punto si trovava a circa 2.900 chilometri sotto la superficie del pianeta.
Era un confine nettissimo (la "discontinuità di Gutenberg"), che divideva la Terra in due grandi regioni. Nel nucleo centrale c'era una sfera di 2.900 chilometri di raggio costituita presumibilmente di ferro e nichel. Tutt'attorno, cioè per la maggior parte del pianeta, c'era un "mantello" di roccia. Il brusco mutamento di velocità delle onde sismiche, quando passavano dal mantello al nucleo, o viceversa, era la miglior prova del cambiamento subitaneo dello stato chimico delle due regioni.
All'interno del mantello, o del nucleo, le onde viaggiavano seguendo un percorso leggermente curvilineo, che rivelava l'aumentare della densità via via che si scendeva. Da una densità di superficie di 2.600 chilogrammi per metro cubo, si passava, nei sondaggi fino a 2.900 chilometri di profondità, a 5.700 chilogrammi per metro cubo. Penetrando ancora più a fondo nel nucleo, la densità aveva una brusca impennata a 9.700 chilogrammi per metro cubo e continuava a crescere, fino a raggiungere, nel centro esatto del pianeta, i 1.300 chilogrammi per metro cubo. Queste cifre convalidavano l'ipotesi di un mantello roccioso con all'interno un nucleo di nichel.
Nel 1909 un geologo croato, Andrija Mohorovicic (1857-1936), mentre studiava un terremoto nei Balcani, scoprì un lieve mutamento di velocità delle onde a circa 30 chilometri di profondità (la "discontinuità di Mohorovicic"). Era evidente che il mantello roccioso presentava un sottile strato superficiale, detto normalmente "crosta".
Crosta e mantello sono entrambi composti di materiali rocciosi, ma si diversificano nella struttura chimica. La crosta, infatti, è ricca di silicato d'alluminio, mentre il mantello (a giudicare dai dati sismici e mettendo a confronto in condizioni di laboratorio, la velocità delle onde attraverso il mantello e attraverso rocce di composizione varia) abbonda di silicato di magnesio.
Il problema se l'interno della Terra sia solido o liquido rimaneva comunque aperto. Ancora nel 1920 prevaleva l'opinione che fosse solido.
E non soltanto si pensava che il nucleo rimanesse allo stato solido anche a temperature altissime, per via della pressione enorme, ma l'ipotesi pareva trovare conferma nella recente scoperta della radioattività. Le sostanze radioattive, come l'uranio e il torio, erano tutte concentrate nel mantello, anzi proprio negli strati superiori, dato che queste sostanze legano meglio con la roccia che non col ferro-nichel. C'era dunque la possibilità che il mantello fosse caldo, mentre il nucleo era relativamente più freddo, e di conseguenza il ferro, rimanendo al di sotto del punto di Curie, conservava il proprio magnetismo.
Esistono, comunque, due tipi di onde sismiche: le onde trasversali, che hanno oscillazioni verticali come le onde luminose e si muovono ad angolo retto rispetto alla direzione di propagazione delle onde. Sono le "onde S". Le "longitudinali" oscillano orizzontalmente, come le onde sonore, e seguono la direzione di propagazione delle onde. Queste sono le "onde P".
Le onde longitudinali, come le onde P, passano attraverso qualunque sostanza, liquida, solida o aeriforme. Le trasversali, invece, come le onde S, attraversano i solidi o corrono alla superficie dei liquidi, ma non passano attraverso i liquidi né gli aeriformi.
Oldham fu il primo ad osservare l'esistenza di questi due tipi di onde sismiche e nel 1914, ormai sicuro di non aver mai visto delle onde S attraversare il nucleo, si convinse che fosse liquido.
Gutenberg, d'altro canto, era persuaso che il nucleo fosse solido, e godeva di tale prestigio che soltanto nel 1925 i geologi si arresero al fatto che le onde S non passavano attraverso il nucleo. E anche così esitarono ancora, prima di riconoscere che il nucleo era liquido.
Nel 1926, l'astronomo inglese Harold Jeffrey (1891) calcolò la durezza del mantello in base ai dati dell'onda sismica e dimostrò che era molto più rigido della Terra (secondo i dati ricavati dalle maree). Ma allora il nucleo, che era evidentemente meno duro del pianeta, era presumibilmente liquido. Da quel momento, prevalse l'opinione che il nucleo del pianeta fosse di ferro-nichel fuso.
Un nucleo di ferro liquefatto era senz'altro al di sopra del punto di Curie, ma la rotazione terrestre probabilmente determina dei vortici, che a loro volta producono effetti magnetici, i quali spiegherebbero, indipendentemente dal punto di Curie, il campo magnetico terrestre.
Infine, nel 1936, la geologa danese Inge Lehmann osservò che le onde P, che attraversavano il nucleo passando vicinissime al centro della Terra, subivano un lieve, subitaneo aumento della velocità. Secondo la studiosa, al centro della Terra esisteva un "nucleo interno", e più esattamente una sfera di 1.250 chilometri di raggio.
Ma in che cosa differiscono i due nuclei? È opinione comune che mentre il nucleo esterno è allo stato liquido, le pressioni che agiscono proprio nel centro del pianeta sono così elevate da solidificare il ferro-nichel, per cui, in ultima analisi, il nucleo interno sarebbe solido.
Ecco dunque a che punto è la questione, a parte certe controversie in atto sulla natura chimica del nucleo. Secondo alcuni, un nucleo di ferro-nichel puro sarebbe troppo denso rispetto alla densità complessiva del pianeta, e dunque il nucleo conterrebbe una quantità rilevante di ossigeno, che ne riduce la densità. Insomma il nucleo sarebbe in ferro-nichel un po' arrugginito.
Concludiamo ricordando che il nucleo interno solido rappresenta all'incirca lo 0,8 per cento del volume della Terra; il nucleo liquido il 15,4 per cento; il mantello roccioso l'82,8 per cento e la crosta rocciosa l'1 per cento.
In termini di massa, il nucleo metallico denso (sia esterno sia interno) rappresenta un terzo dell'intera massa del pianeta, mentre gli altri due terzi sono costituiti dagli strati rocciosi esterni (mantello e crosta).

FINE