Il nichel è cruciale per il campo magnetico della terra

Una semplice bussola informa anche chi è alieno da studi scientifici che la Terra è dotata di un campo magnetico. I primi a scoprire che le lancette metalliche si orientavano sempre allo stesso modo furono i cinesi ma ci vollero secoli prima che questa nozione passasse da mero intrattenimento da strada a strumento di navigazione (circa nel XI secolo) e molti altri anni ancora prima che da "fatto noto ma inspiegabile" lo si categorizzasse come effetto prodotto da una forza.

La bussola arrivò in Europa poco dopo il XIII secolo e il primo a teorizzare l'esistenza di un campo geomagnetico fu  Pierre de Maricourt nella epistula de magnete del 1269. Bisogna però aspettare il XVII secolo prima che inizi un vero e proprio approccio scientifico al geomagnetismo e molti decenni prima che se ne capisse l'origine e il suo ruolo essenziale nel proteggere il pianeta dai venti solari.

La differenza tra la Terra e i suoi "sfortunati consimili" tra i pianeti rocciosi è che Venere e Marte hanno un campo magnetico molto inferiore il che, come evidente nel caso di Marte, ha lasciato il pianeta in balia dei venti solari contribuendo (insieme alla minore massa e quindi forza gravitazionale) alla perdita della atmosfera. Tra i pianeti rocciosi solo Mercurio ha un campo magnetico paragonabile (sebbene inferiore) a quello della Terra che a sua volta è inferiore solo a quello di Giove ma superiore ad altri "giganti" come Saturno, Urano e Nettuno.

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Ad oggi molte sono le conoscenze acquisite, eppure rimangono alcuni interrogativi chiave sulla esatta dinamica all'origine del nostro campo magnetico. Non ci sono ovviamente dubbi sul fatto che la conducibilità elettrica nel nucleo fuso del pianeta è, insieme alla  rotazione del pianeta stesso, la chiave per la produzione della dinamo  planetaria. Il vero punto è che il ferro da solo non è sufficiente a spiegare il fenomeno.

Il nucleo della terra è grande quanto la luna, caldo come la superficie del sole ed esposto ad una pressione di centinaia di gigapascal.

Due sono gli elementi cardine su cui si fonda la comparsa del campo magnetico nel nostro pianeta. In primo luogo le correnti di convezione necessarie per trasportare il calore dal nucleo verso gli strati più esterni della Terra a cui si aggiunge l'effetto della forza di Coriolis prodotta dalla rotazione del pianeta. Il risultato complessivo è un flusso a spirale di materia calda.
Quando all'interno di tali flussi si generano correnti elettriche, queste fungono da "innesco" del campo magnetico che a sua volta produce corrente elettrica in un crescendo che fa si che il campo magnetico alla superficie terrestre diventa facilmente misurabile.

Il problema teorico ad oggi era che nessuno era in grado di spiegare in dettaglio l'origine prima delle correnti di convezione. Il ferro (l'elemento ritenuto centrale nel geomagnetismo) è certamente un ottimo conduttore di calore e alle pressioni del nucleo la sua conducibilità è ancora più elevata. Tuttavia se il nucleo terrestre fosse costituito solo di ferro, gli elettroni liberi di questo elemento altamente conduttivo sarebbero sufficienti a gestire il trasporto di energia (calore), quindi le correnti di convezione non avrebbero ragione di formarsi. A cascata, in assenza di correnti di convezione non si avrebbe alcun campo magnetico; quindi dato che il campo magnetico è una realtà ne deriva che il ferro non può essere l'unico componente di rilievo nel nucleo.
Per superare il dilemma, ricercatori di alcune università austriache (tra cui due italiani, Alessandro Toschi e Giorgio Sangiovanni) hanno sviluppato modelli predittivi al computer inserendo le diverse variabili coinvolte cercando di ottenere modelli che più si avvicinassero al campo magnetico reale. Tra le variabili inserite l'effetto della presenza di metalli diversi dal ferro nel nucleo terrestre. 

Karsten Held e Alessandro Toschi
(Technische Universität Wien)

I risultati del lavoro sono stati pubblicati sulla rivista Nature Communications in cui i ricercatori dimostrano che la teoria geodinamica deve essere rivista. Il punto cruciale emerso è che finora si è sempre trascurato il contributo reale del nichel, un elemento sulla cui abbondanza non vi erano dubbi (costituisce fino al 20% del nucleo) ma finora assimilato come comportamento al ferro. I calcoli attuali invece dimostrano che in condizioni estreme (come sono quelle al centro della Terra) il nichel è un metallo che si comporta in modo diverso dal ferro.

Alle alte pressioni gli elettroni del nichel subiscono infatti un effetto scattering maggiore rispetto a quelli del ferro e questo tende a ridurre di molto la conducibilità termica; poiché il calore verso l'esterno non può essere veicolato dal solo flusso di elettroni, ecco allora che si spiega perché nascano le correnti di convezione e da li il campo magnetico terrestre.

Domanda ovvia è perché un tale comportamento fosse finora sfuggito.
Il motivo è che il comportamento dei metalli in condizioni anomale implica simulazioni al computer (o meglio su reti di computer) dotati di potenze di calcolo non facili da ottenere anche solo pochi anni fa.

Il risultato ottenuto va al di là dell'avanzamento delle conoscenze sulla geofisica terrestre fornendo nuovi elementi di conoscenza sullo scattering elettronico in diversi materiali con ricadute ovvie su campi diversi come la fisica dei materiali, l'elettronica e l'astrofisica.

Fonte
- Local magnetic moments in iron and nickel at ambient and Earth’s core conditions
A. Hausoel et al, Nature Communications (2017) 8, n16062