La origine dell’acqua sulla Terra rappresenta un mistero persistente che si estende agli esopianeti e all’idea di abitabilità. In termini generali, l’acqua della Terra è stata parte del pianeta sin dall’inizio della sua formazione nella nebulosa solare o potrebbe essere stata fornita successivamente, forse da asteroidi e comete.

Nuove ricerche suggeriscono che il vento solare incessante potrebbe aver avuto un ruolo importante.

I ricercatori hanno lavorato duramente per comprendere come la Terra possieda tanta acqua vitale. Ci sono numerosi studi a sostegno dello scenario di consegna da asteroidi e comete. Ci sono anche evidenze che la Terra ha accumulato acqua durante la sua crescita. Durante la fase di accrescimento, potrebbe aver assorbito pianetesimali ricchi d’acqua.

Per cercare di capire come l’acqua della Terra si inserisca nella storia del pianeta e del Sistema Solare, i ricercatori esaminano il rapporto isotopico sulla Terra e nei meteoriti. La composizione isotopica dell’acqua terrestre è molto simile a quella dei meteoriti primitivi. D’altra parte, differisce da quella delle comete e del gas nebulare.

Questo implica che l’acqua della Terra provenga dallo stesso serbatoio cosmochemico che è anche la fonte dei meteoriti primitivi.

È una questione complessa. Forse l’acqua della Terra ha molteplici fonti. Forse una parte di essa è stata formata nello spazio molto tempo dopo che la Terra e il resto del Sistema Solare si erano formati, e poi consegnata alla Terra.

Nuove ricerche pubblicate nell’Astrophysical Journal esplorano come l’acqua possa essere creata dal vento solare mentre colpisce superfici contenenti minerali con ossigeno. L’articolo è intitolato “Contributo del Vento Stellare all’Origine dell’Acqua sulla Superficie di Minerali Contenenti Ossigeno.” Il principale autore è Svatolpuk Civiš dell’Istituto di Chimica Fisica J. Heyrovský dell’Accademia Ceca delle Scienze a Praga.

Il vento solare è un flusso costante di particelle cariche—principalmente protoni ed elettroni—che provengono dal Sole. Gli ioni H+, che sono semplicemente protoni, sono le particelle più abbondanti nel vento solare. Potrebbe il vento innescare la creazione di molecole d’acqua?

I ricercatori hanno condotto esperimenti in laboratorio per scoprirlo. Hanno testato 14 minerali contenenti ossigeno. “Per studiare il processo di formazione dell’acqua sulla superficie di materiali ossidici e le abundanze d’acqua, abbiamo utilizzato la tecnica di bombardamento superficiale con atomi e ioni di idrogeno o deuterio,” scrivono gli autori nel loro articolo.

L’elenco dei materiali testati in laboratorio. Si noti che due dei campioni sono meteoriti e che uno dei campioni, TiO2 P25 anatase, non ha prodotto acqua nel suo scarico. Credito immagine: Civiš et al. 2024.

Gli esperimenti hanno avuto due fasi: la prima ha testato se i minerali producessero acqua quando esposti al vento solare, e la seconda ha testato la loro capacità di adsorbimento. A parte l’assorbimento, l’adsorbimento è l’adesione di un campione a una superficie.

Il team ha prodotto acqua e poi la ha misurata utilizzando due metodi: un esperimento di scarico a microonde (MW) e irraggiamento con pistola a sputtering. Hanno testato i risultati con un tipo di analisi spettrometrica chiamata spettrometria infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) e analisi di desorbimento programmata per temperatura (TPD).

“Entrambi questi esperimenti includono un campione minerale bombardato da ioni di idrogeno/deuterio, che, tra le altre possibilità, reagiscono con gli ossigeni superficiali nella griglia del minerale e formano molecole d’acqua,” scrivono gli autori.

Questa figura illustra i due tipi di test di laboratorio. Il pannello di sinistra mostra il metodo di scarico MW e il pannello di destra mostra il metodo della pistola a sputtering. Credito immagine: Civiš et al. 2024.

I campioni di materiale ossidico non sono stati solo esposti al forte flusso di H, H+ e idrogeno molecolare che mimano il vento solare. Sono stati anche esposti a radiazioni visibili e UV intense generate nello scarico di idrogeno.

“L’irraggiamento da vento stellare di minerali rocciosi contenenti ossigeno porta a una reazione tra ioni H+ e minerali silicei per produrre acqua e OH, il che potrebbe spiegare la presenza d’acqua nei regoli di mondi privi d’aria come la Luna, così come le abbondanze d’acqua negli asteroidi,” scrivono gli autori.

Ricerche precedenti hanno stabilito che si verifica una reazione chimica tra ioni di idrogeno e minerali silicei quando i materiali rocciosi sono esposti all’irraggiamento del vento solare. Alcuni ricercatori hanno osservato la formazione di OH (idrossido) e acqua, mentre altri hanno trovato solo OH. Questa ricerca va più in profondità testando i materiali rocciosi per l’adsorbimento d’acqua.

I ricercatori hanno testato la capacità di adsorbimento d’acqua dei campioni. Poi, hanno calcolato quanto materiale sarebbe necessario per raggiungere la Terra per giustificare la quantità d’acqua sulla Terra contemporanea.

“Oltre al materiale acquisito dalla Terra durante l’accrescimento, l’origine dell’acqua del vento solare e la sua consegna alla Terra potrebbero essere proseguite anche durante il bombardamento post-accrezione,” scrivono gli autori. Qui si riferiscono all’ipotetico Bombardamento Tardivo Intenso.

Ricerche precedenti mostrano che “gli impatti di asteroidi e comete durante il classico Bombardamento Tardivo Intenso avrebbero portato circa 10^20 kg di materiale,” scrivono gli autori. “Se la superficie di quel materiale fosse stata completamente saturata con acqua adsorbita composta da uno dei nostri minerali, i nostri calcoli suggeriscono che almeno un equivalente oceanico d’acqua potrebbe essere stato portato.”

Questo schema della ricerca mostra come il vento solare possa creare molecole d’acqua su corpi rocciosi come gli asteroidi. L’acqua è adsorbita in un sottile film e aderisce all’asteroide. Alla fine, parte di quest’acqua viene recapitata sulla Terra tramite impatti. Credito immagine: Civiš et al. 2024.

Non c’è molta incertezza riguardo ai risultati di questi test e alla capacità del vento solare di generare acqua.

“I risultati degli esperimenti riassunti in questo lavoro, focalizzati sul bombardamento superficiale con atomi di idrogeno, confermano chiaramente la teoria dell’interazione di atomi e ioni di idrogeno o deuterio Rydberg eccitati con gli ossigeni superficiali dei minerali ossidici,” spiegano gli autori. “I nostri esperimenti tentano di spiegare l’origine dell’acqua nelle aree di materiale solido contenente ossigeno (ad es., polvere, meteoroidi, asteroidi, comete) esposti a un flusso di particelle cariche vicino a una stella madre.”

L’atmosfera e la magnetosfera della Terra la proteggono dal vento solare, quindi non c’è modo che il vento possa aver creato acqua direttamente sulla superficie terrestre. Tuttavia, come dimostra lo studio, il vento può generare acqua sulla superficie di altri corpi come gli asteroidi, e l’acqua può essere adsorbita e trattenuta saldamente, per poi essere consegnata alla Terra tramite impatti.

“Questo scenario è applicabile anche all’origine dell’acqua sulla Terra,” scrivono gli autori. “Grazie a questo effetto, una molecola d’acqua può essere adsorbita sulla superficie di particelle contenenti ossigeno e poi trasportata su lunghe distanze e tempi,” scrivono i ricercatori.

Questo studio non rappresenterà la conclusione degli sforzi in corso per spiegare l’acqua della Terra. In un modo affascinante e indiretto, questa ricerca ci riporta agli asteroidi e ai meteoriti che forniscono acqua alla Terra. Se può accadere qui, può accadere anche su esopianeti in altre parti della galassia.