Il clima terrestre è un argomento di grande attualità. Non c’è ormai giorno in cui non si tratti il tema del cambiamento climatico che, piaccia o no, è certamente di origine antropica e avrà un forte impatto sulle società dei prossimi decenni. Mutazioni climatiche veloci comportano profonde conseguenze pure sulla biosfera, incapace di adattarsi rapidamente alle nuove situazioni. Questo si traduce in fenomeni di diffusa estinzione di specie meno adattabili o, al contrario, al proliferare di quelle aliene o opportuniste. La storia della Terra riporta diffusi episodi di estinzioni in massa di viventi che, a prescindere dalla causa scatenante, furono essenzialmente dovute a rapidi e rilevanti cambiamenti del clima planetario.
Cause naturali
Se il cambiamento climatico in corso è principalmente di origine antropica, c’è comunque una parte dovuta a cause naturali. Ad esempio, sappiamo che le grandi eruzioni vulcaniche comportano spesso fenomeni di raffreddamento, altrettanto i movimenti tettonici delle masse continentali possono comportare desertificazione in grandi aree oppure predisporle a forti precipitazioni. Questi sono comunque cambiamenti che avvengono molto lentamente a danno il tempo ai viventi o di adattarsi o di migrare in regioni più favorevoli.
Altrettanto, i cambiamenti dell’orbita e dell’asse di rotazione terrestre inducono cambiamenti climatici a lungo termine, alternativamente con glaciazioni e aumenti della temperatura globale. Anche in questo caso i cambiamenti non sono rapidi e danno il tempo alle specie viventi di adattarsi. Sono comunque un esempio d’ingerenza dell’ambiente esterno alla Terra sul suo clima.
Queste ingerenze sono state poco indagate in passato se non empiricamente. Secondo alcuni modelli, un aumento di raggi cosmici galattici (GCR) può indurre una maggiore nuvolosità e innescare fenomeni di raffreddamento. Questo avverrebbe in occasione di indebolimenti del campo magnetico solare, in particolare durante minimi prolungati della sua attività. Il campo magnetico solare si comporterebbe come uno scudo e il suo indebolimento esporrebbe i pianeti e i viventi terrestri a dosi consistenti di radiazioni cosmiche con effetti tutt’altro che compresi. L’effetto dei GCR sull’atmosfera e sul clima terrestre è comunque controverso.
L’interazione con l’ambiente galattico
Appare indubbio che l’interazione tra il Sistema Solare e l’ambiente galattico non è mai stata indagata concretamente. Possiamo intuire che l’esplosione di una supernova vicina non sarebbe indolore per la biosfera e servono robusti scongiuri anche per non essere mai in direzione di un potente lampo di raggi gamma (GRB). Tracce di esplosioni di supernove relativamente vicine sono state trovate nella documentazione geologica e, forse, anche qualche episodio di estinzione potrebbe essere stato causato da tali eventi. Per nostra fortuna, i GRB vicini sono eventi estremamente rari perché richiedono condizioni molto particolari per destare preoccupazione e, infatti, non ne troviamo traccia nei sedimenti.
Il Sistema Solare, tuttavia, si muove lungo un’orbita galattica e qualche volta si trova a transitare dentro una nube molecolare, come tante ce ne sono nei fitti campi stellari lungo la Via Lattea. Da qualche tempo il Sole si trova quasi al centro di una bolla pressoché vuota di gas e polveri, detta Bolla Locale. Questa cavità sembra essere stata prodotta nel mezzo interstellare (ISM) da alcune esplosioni di supernove delle quali troviamo le tracce nei sedimenti rocciosi. Prove della deposizione di 60Fe extraterrestre sulla Terra sono state trovate in sedimenti di acque profonde e croste di ferromanganese tra 1,7 e 3,2 Ma, nella neve antartica e in campioni lunari. In un certo senso, siamo adesso in una regione galattica a bassa densità dell’ISM. Tuttavia la Bolla Locale non è completamente vuota ma al suo interno ci sono piccole nubi molecolari in transito dentro di essa.
Il Sole può attraversare regioni più dense ricche di gas e polveri. L’interazione con tali ambienti non sembra causare grossi problemi, forse perché il campo magnetico e il vento solare riescono a controllare efficacemente il mezzo interstellare. Il Sole è di fatto all’interno di un denso bozzolo, cioè l’eliosfera. Che cosa accade, invece, quando il Sistema Solare si trovasse transitare dentro una densa nube molecolare, per intenderci quelle che in controluce appaiono come macchie scurissime sui densi campi stellari? L’eliosfera sarebbe in grado di proteggerci?
La Bolla Locale
Il Sistema Solare è dentro la Bolla Locale da almeno 3 milioni di anni (Ma), se non da 10Ma. Le condizioni vicino al Sole non sono omogenee ed esistono numerose nubi parzialmente ionizzate che sono state attraversate negli ultimi milioni di anni, il che ha certamente influenzato l’eliosfera. In questo periodo, il Sistema Solare sta attraversando la cosiddetta nube interstellare locale (LIC) con una velocità relativa di 25 km/s. È un attraversamento veloce perché il Sistema Solare lascerà la LIC entro alcune migliaia di anni, essendo ormai ai margini.
L’attraversamento della LIC non sembra essere stato indolore perché, stando a uno studio pubblicato su Nature Astronomy a firma di Merav Opher, Abraham Loeb e JEG Peek, il Sistema Solare può aver attraversato nuclei densi di della LIC con ripercussioni sul clima terrestre negli ultimi milioni di anni.
Gli autori esplorano lo scenario in cui il Sistema Solare passa attraverso una nube di gas freddo alcuni milioni di anni fa. L’ISM sperimentato oggi dall’eliosfera è un mezzo caldo, parzialmente ionizzato con una densità di circa 0,2 atomi di idrogeno per centimetro cubico a una temperatura di circa 8000 K. Queste nubi hanno una densità troppo bassa per contrarre l’eliosfera a distanze inferiori di 130 UA.
G I LxCC visti nei dati a 21 cm dell’indagine GALFA-HI (da Opher, M., Loeb, A. & Peek, J.E.G. A possible direct exposure of the Earth to the cold dense interstellar medium 2–3 Myr ago. Nat Astron (2024).
Struttura della Bolla Locale. (Catherine Zucker)
Il mezzo interstellare vicino
L’ISM vicino ospita anche alcune, rare, dense e fredde nubi chiamate Nastro Locale delle Nuvole Fredde (LRCC). La nube fredda locale del Leone (LLCC) è tra le più grandi con una densità pari a 3mila atomi di idrogeno per centimetro cubico e una temperatura di appena 20K. La distanza di LLCC è compresa tra 35 e 146 anni luce e si prevede che il resto dell’LRCC risieda a distanze simili.
Secondo gli autori c’è almeno una probabilità dell’1,3% che l’eliosfera abbia incontrato la coda del LRCC 2Ma fa, in direzione della costellazione della Lince e per tale motivo la chiamano Lince Locale nelle Nuvole Fredde (LxCC). LxCC rappresenta quasi la metà della massa totale del LRCC ed è più massiccia di LLCC. La sua struttura è stata modellata grazie alle misure di flusso radio a 21 cm eseguite dal sondaggio HI4PI a tutto cielo (Collaborazione HI4PI) e da esse emerge che la nube si estende tra 71 e 192 anni luce dal Sole.
Tenendo conto dei vari parametri, il Sole sembra aver attraversato il complesso di nubi tra 1,57 e 4,2Ma fa e dentro una nube ISM fredda e densa circa 2Ma fa. Gli autori rilevano che queste strutture sono anomale e inspiegabili nell’ISM, la cui origine e fisica non sono ben comprese. Forse è la loro stessa densità ad averle protette nell’ambiente della Bolla Locale e non hanno subito sostanziale cambiamento negli ultimi 2Ma.
La struttura dell’eliosfera
Lo studio passa poi a simulare l’eliosfera nel corso dell’attraversamento di LxCC 2Ma. Il bordo dell’eliosfera è di circa 130UA, misurata dalle sonde Voyager 1 e 2. La simulazione mostra chiaramente che la densità della nube è tale da comprimere la testa dell’eliosfera a una scala molto più piccola dell’orbita terrestre, sino a 0,22UA, e porta la Terra e la Luna a contatto diretto con il freddo ISM. Lo scontro tra nube molecolare e vento solare comporta l’aumento della densità sino a circa 7mila atomi per centimetro cubico all’altezza delle orbite di Mercurio e Venere. All’altezza e oltre l’orbita terrestre il valore arriva anche a 10mila atomi per centimetro cubico, producendo un fronte d’urto di prua. Un evento del genere potrebbe aver avuto un impatto drammatico sul clima della Terra.
Strutture simili si osservano in alcune stelle che stanno attraversando nubi molecolari, quindi rende lo scenario descritto nello studio molto plausibile. Sempre la simulazione mostra come l’eliosfera solare, 2Ma fosse praticamente imbozzolata sfericamente nella nube e non a forma di cometa. Il campo magnetico solare era così vicino alla nostra stella da essere in sostanza radiale e con struttura molto semplice. Esistono prove di un evento simile? Secondo gli autori andrebbero cercate nei sedimenti rocciosi le tracce del deposito di radionuclidi significativi di un ambiente interstellare.
Radionuclidi di origine extraterrestre
Dallo studio dei radioisotopi geologici sulla Terra, possiamo quindi conoscere il passato dell’eliosfera.
60Fe ha un tempo di dimezzamento di 2,6 Ma e 244 Pu ha un tempo di dimezzamento di 80,7 Ma. Il 60Fe non è prodotto naturalmente sulla Terra, quindi la sua presenza è un indicatore di esplosioni di supernova negli ultimi 10Ma. 244Pu viene prodotto attraverso il processo r che si ritiene avvenga nelle fusioni di stelle di neutroni. I rapporti di afflusso di 244Pu/ 60Fe sono simili circa 2Ma fa, e vi è evidenza di un secondo picco circa 7Ma fa. I due picchi sono sicuramente attribuibili a esplosioni di supernova negli ultimi 10 milioni di anni che hanno formato la Bolla Locale. I processi di deposito del 244Pu sulla Terra includono materiali espulsi della supernova.
Nel caso di un’esplosione vicina, l’eliosfera sarebbe compressa e collasserebbe a distanze inferiori a 1UA se la supernova fosse a meno di 10 pc. Questa distanza è molto vicina al cosiddetto “raggio di uccisione” di 8 pc, cioè la distanza minima per causare fenomeni di estinzione biologica. In corrispondenza con i periodi di deposizione non sono registrate significative morie di viventi , quindi verosimilmente il deposito dei radioisotopi sarebbe da ascrivere al contatto diretto della Terra con ISM contaminato. Ma che cosa scatena il cambiamento climatico?
Gli effetti
Grandi quantità di idrogeno neutro come risultato dell’incontro con nuvole fredde con densità superiori a 1.000 atomi per centimetro cubico altereranno la chimica dell’atmosfera terrestre e la formazione delle nuvole. Pochissimi lavori hanno sinora studiato quantitativamente tali effetti climatici degli incontri con dense nubi molecolari giganti. Secondo tali studi, densità così elevate ridurrebbero l’ozono nella media atmosfera (50–100 km) portando a un forte raffreddamento planetario.
Prove di questo raffreddamento sarebbero nello spessore dei gusci di foraminiferi vissuti in quel periodo. È anche probabile che mutate condizioni climatiche abbiano pure contribuito all’evoluzione umana come adattamento ai nuovi ambienti, ma sarebbe tutto da dimostrare. A prescindere, entro il prossimo milione di anni ci saranno altri attraversamenti di dense nubi stellari da parte del Sistema Solare, quindi gli effetti sul clima e l’abitabilità andrebbero indagati e modellati per capire le reazioni.
