Approfondimento 38 – La prima atmosfera

Nessun essere vivente sarebbe sopravvissuto sulla Terra dei primordi: eruzioni vulcaniche, bombardamenti di meteoriti (fig. 1), impatti di comete gigantesche, ma soprattutto un'aria irrespirabile, una vera e propria miscela tossica e letale.

L'aria che oggi respiriamo è il frutto di una lentissima trasformazione, durata miliardi di anni, nella quale l'atmosfera terrestre è stata modificata dallo sviluppo della vita stessa, al contrario di quanto avvenuto per gli altri pianeti del Sistema Solare.

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Fig. 1 - Un esempio di cratere che può essere prodotto dall'impatto di un meteorite sulla superficie terrestre.

L'atmosfera attuale [approfondimento 39] ha uno spessore sorprendentemente limitato, paragonato alla massa del nostro pianeta: se, ad esempio, la Terra avesse un diametro di appena due metri, lo strato d'aria che avvolge la superficie terrestre fino a circa 15 km di altezza, detto troposfera, sarebbe un sottile, quasi invisibile velo di circa un millimetro di spessore. Ma non è dallo spessore che si può giudicare l'importanza dell'atmosfera: essa è, infatti, essenziale alla permanenza delle forme viventi sulla Terra

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Fig. 2 - Tabella della composizione chimica dell'atmosfera attuale e di quella primordiale.

La composizione chimica dell'atmosfera terrestre odierna comprende due elementi tipicamente "terrestri" e inesistenti nell'atmosfera degli altri pianeti: l'azoto (N2) che costituisce il 78% della composizione totale e l'ossigeno (O2) che rappresenta il 21% del totale. Vi è anche pochissimo biossido di carbonio (appena lo 0,03%) e tracce di gas rari.

La composizione chimica dell'atmosfera primordiale era completamente diversa: vi erano grandi quantità di biossido di carbonio (CO2), metano (CH4), ammoniaca (NH2), mentre era quasi assente l'ossigeno libero (O2), elemento indispensabile per la vita (fig. 2).
Come mai si è giunti oggi ad una situazione così diversa?

Benché non vi sia unicità di vedute tra gli scienziati riguardo all'origine dell'atmosfera terrestre, le premesse sono condivise da tutti: la sua nascita è chiaramente legata all'origine del Sistema Solare e agli elementi chimici presenti nella nube cosmica che l'ha prodotto (capitolo 1. L'interno della Terra  [approfondimento 1]).

Anche la natura dell'atmosfera dei primordi ha fatto nascere accese controversie, dalle quali sono scaturite le ipotesi più variate.
Secondo una teoria molto accreditata, la primissima atmosfera fu generata durante le catastrofiche fasi iniziali della nascita del nostro pianeta: meteoriti e comete (fig. 3) impattavano con grande violenza sul neonato pianeta, portando con sé gas, ghiaccio e di conseguenza acqua, come si è potuto osservare direttamente nel 1994, quando la cometa Schoemaker-Levy si schiantò su Giove.

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Fig. 3 - Esempio di propagazione da impatto meteorico.

L'atmosfera iniziale, generata dunque interamente da "contributi" esterni, conteneva quasi esclusivamente biossido di carbonio (CO2), metano (CH2), ammoniaca (NH2) e vapore acqueo. Poiché la Terra primordiale era quasi completamente allo stato fuso, le temperature erano troppo elevate, e tutti questi gas tendevano a volatilizzarsi.

Dopo questo primo "tentativo", la prima atmosfera si formò invece dall'interno della Terra, in seguito ai processi di differenziazione che portarono alla formazione di nucleo, mantello e crosta (capitolo 1. L'interno della Terra); i vulcani divennero i protagonisti incontrastati dei primordi del nostro pianeta, eruttando immensi volumi di lava e gas vulcanici, contenenti molecole di idrogeno (H2), biossido di carbonio (CO2), azoto (N2), monossido di carbonio (CO), oltre naturalmente ad abbondante vapore acqueo. L'idrogeno era troppo leggero e si volatilizzava nello spazio subito dopo il suo rilascio ad opera dei vulcani, oppure si combinava chimicamente con i vari elementi terrestri.

La Terra fu sottoposta in questa fase ad un vero e proprio "effetto serra" ad opera di questa atmosfera densa e fumante. Il calore così intrappolato ebbe un ruolo molto importante: se il calore rilasciato dall'interno terrestre non fosse stato trattenuto, l'acqua sulla superficie terrestre sarebbe ghiacciata, formando una spessa coltre gelata che avrebbe riflesso inesorabilmente le radiazioni solari, e avrebbe reso la Terra un pianeta freddo e senza vita, come per esempio la Luna (fig. 4).

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Fig. 4 - La Luna è un esempio di pianeta freddo e senza vita.

In seguito, il vapore acqueo nell'atmosfera condensò per formare le prime piogge, che si accumularono gradualmente per formare i primi oceani: il vapore acqueo ebbe l'importantissimo effetto di combinarsi con il biossido di carbonio (CO2), precipitando al suolo in forma di pioggia. La quantità di biossido di carbonio nell'atmosfera cominciò cosi a diminuire.

Inoltre il CO2, altamente solubile in acqua, fu trascinato negli oceani di recente formazione, reagendo con altri composti e andando a formare i calcari (capitolo 7. Le rocce e i minerali) di origine marina, costituiti da carbonato di calcio (CaCO3). Anche questo processo fu cruciale, in quanto ridusse ulteriormente l'alta concentrazione di biossido di carbonio (CO2) nell'atmosfera, lasciandola arricchita in azoto (N2) e iniziando a rendere l'aria del pianeta più adatta allo sviluppo della vita (fig. 5).

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Fig. 5 - Ipotesi su origine e evoluzione della vita in rapporto alla variazione del livello di ossigeno nell'atmosfera.

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Fig. 6 - L'atmosfera in epoca primordiale era priva di ossigeno; successivamente la formazione dello scudo di ozono ha reso possibile la vita sulla terra.

Tuttavia, mancava ancora l'ossigeno (O2) (fig. 6), elemento fondamentale, che cominciò ad essere prodotto dai procarioti (organismi unicellulari, in cui il nucleo è assente) dei quali le alghe blu-verdi furono i primi rappresentanti, a partire da circa 3,5 miliardi di anni fa. Questi primi organismi, che vivevano nelle acque degli oceani, erano in grado di consumare il biossido di carbonio disciolto nell'acqua e di rilasciare ossigeno, sempre nell'acqua, come "prodotto di scarto".

L'ossigeno (O2) libero che andava formandosi cominciò poi ad ossidare le grandi quantità di ferro disciolto nelle acque oceaniche, formando estesi depositi sui fondali, che sono giunti a noi sotto forma di Red Beds. Una volta esaurita la "scorta" di ferro da ossidare negli oceani, l'O2 in eccesso iniziò a "passare" nell'atmosfera, ed ad accumularsi in essa. Una volta raggiunta la soglia dell'1%, cominciò a formarsi lo strato di Ozono (O3) che cominciò ad agire come scudo [approfondimento 40] contro le dannose radiazioni ultraviolette, e che ancora oggi rappresenta una fondamentale "barriera" naturale.

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Fig. 7 - Animali fossili cambriani; oltre a questi, nel Cambriano sono apparsi echinoidi, ostracodi, coralli, gasteropodi, ecc.

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Fig. 8 - Composizione chimica dell'atmosfera da 4500 milioni di anni fa ad oggi.

La costruzione di questo scudo cominciò a rendere possibile la vita di nuovi organismi pluricellulari eucarioti (fig. 7), cioè organismi composti da più cellule, ciascuna dotata di nucleo, comparsi 2 miliardi di anni fa. Questi organismi iniziarono poi a sfruttare il nuovo "combustibile" sempre più abbondante nell'atmosfera, e infine si svilupparono forme viventi in grado di metabolizzare l'O2 (fig. 8).

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Fig. 9 - Produzione e consumo di ossigeno. L'ossigeno presente nell'atmosfera attuale è in quantità tale, rispetto a quello immesso per fotosintesi, che basterebbe per altri 2000 anni, anche se tutto il processo di fotosintesi si bloccasse.

Una volta superata questa soglia critica, il livello di O2 e le forme di vita ebbero una crescita continua e parallela fino all'inizio del Cambriano, 540 milioni di anni fa, quando si verificò una vera e propria "esplosione" di specie animali (fig. 9). 

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