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Storia della Terra – Conclusione

La nostra storia della Terra prosegue con l’ultimo eone: il Fanerozoico che vede al divisione dei continenti, l’esplosione della vita e i primi ominidi …

Fanerozoico (età della Terra: 4 miliardi) L’ultimo eone della Terra si apre con la divisione di Rodinia, fino ad allora l’unico grande continente terrestre: esso si divide in Laurentia e Godwanda, quindi si riunisce di nuovo formando un secondo unico grande continente (Pangea) e un unico grande oceano (Pantalassa). Ora gli eventi si spostano sulla terraferma, ove l’evoluzione mostra appieno i suoi risultati a partire dall’Esplosione Cambriana. Negli ultimi 567 milioni di anni, la Terra subisce mutamenti radicali: oltre a periodi di instabilità climatica ove si alternano periodi caldi e glaciazioni (altre 3 glaciazioni).

Ecco una breve lista degli eventi principali:

  • 520 milioni di anni fa: i trilobiti (artropodi)  che domineranno lo scenario per 250 milioni di anni circa
  • 440 milioni di anni fa: estinzione di massa Ordoviciana
  • 530 milioni di anni fa: le piante con parti dure fanno la loro apparizione
  • 375 milioni di anni fa: estinzione di massa Devoniana
  • 360 milioni di anni fa: presenza degli anfibi
  • 325 milioni di anni fa: presenza dei rettili
  • 300 milioni di anni fa: terzo evento ossidativo
  • 250 milioni di anni fa: la Grande Estinzione alla fine del Permiano
  • 225 milioni di anni fa: fanno il loro ingresso i dinosauri
  • 200  milioni di anni fa: estinzione del Triassico
  • 150 milioni di anni fa: presenza degli uccelli
  • 130 milioni di anni fa: presenza delle prime piante a fiore
  • 65 milioni di anni fa: l’estinzione del Cretaceo pone fine al dominio dei Dinosauri. I mammiferi (esseri più piccoli) domineranno la Terra
  • 2 milioni di anni fa: primi ominidi (homo)

Negli ultimi cinque miliardi di anni circa, la Terra è sopravvissuta a cinque glaciazioni e cinque grandi estinzioni di massa (occorse a forme di vita complesse) e continuerà a cambiare sia geologicamente che dal punto di vista climatico in continuazione, anche molto prima del momento in cui Sole uscirà dalla sequenza principale del diagramma HR. Il Sistema Solare infatti è un sistema caotico e attualmente non siamo in grado di prevederne la stabilità con un orizzonte più esteso di 20-30 milioni di anni. Per quel tempo, della specie vivente homo sapiens sapiens, rimarrà solo un ricordo sotto forma di reperti fossili.

Bibliografia

Storia della Terra – Parte II

La nostra storia della Terra prosegue con l’arrivo della fotosintesi, il miliardo noioso, modello di Terra a Palla di Neve fino all’arrivo di un’atmosfera potenzialmente respirabile anche da un essere umano …

Pianeta roccioso è un particolare tipo di pianeta così come definito dalla UAI nel 2006 con delle caratteristiche ulteriori relative alla sua composizione chimica e materiale, in particolare la presenza dei seguenti sei elementi (o composizioni di essi): Ossigeno, Silicio, Alluminio, Ferro, Calcio e Magnesio

Archeano (età della Terra: 600 milioni) I primi organismi monocellulari (procarioti) sono già attivi nell’oscurità delle acque e dove ancora non arriva la luce. La temperatura della Terra è simile a quella attuale e diminuisce la concentrazione di metano. A mano a mano che gli organismi prolificano, la vita si sposta sempre più in superficie e cambia il processo biochimico di base: i procarioti iniziano a sfruttare la luce del Sole che traspare dall’acqua per iniziare la fotosintesi ossigenica. La fotosintesi ossigenica è più efficiente di quella anossigenica (quindi rappresenta un vantaggio evolutivo) e si basa sulla seguente reazione:

                                                                      6CO2 + 6H2O + ν –> C6H12O6 + 6O2                   

Tra i prodotti di scarto della fotosintesi prodotta dai cianobatteri c’è l’ossigeno che inizia ad accumularsi in atmosfera, ed anche la creazione di sedimenti calcarei laminati chiamati stromatoliti.

Campione di roccia proveniente dalla Isua Greenstone Belt in Groenlandia del periodo Archeano (3,8 miliardi di anni fa)

Archeano (età della Terra: 1 miliardo) L’ossigeno è un elemento altamente reattivo in grado di ossidare (ovvero in grado di acquistare elettroni), quindi l’ossigeno liberato come scarto dai cianobatteri procarioti non rimane in atmosfera, ma partecipa alle reazioni di ossido-riduzione. L’ossigeno inizia ad ossidare tutto ciò che incontra sulla terraferma dando inizio al processo di creazione di strati di roccia sedimentaria con diverso grado di ossidazione chiamata BIF (Band Iron Formation).

Queste bande cambiano ancora una volta il colore della Terra di un colore rosso. Con il passare delle epoche e dei movimenti delle placche tettoniche le BIF si sono spostate ed ora si trovano principalmente sui fondali degli oceani.

Archeano (età della Terra: 1,5 miliardi) La produzione di ossigeno non si ferma e non avendo più a disposizione rocce esposte da ossidare, si accumula in atmosfera cambiandone per sempre la sua caratteristica. Gli scienziati chiamano questo processo GEO (Grande Evento Ossidativo) oppure Catastrofe dell’Ossigeno. Il Sole aumenta la sua capacità radiante e raggiunge circa 85% di quella attuale.

Proterozoico (età della Terra: 2 miliardi) La vita sulla Terra evolve: con il tempo gli organismi procarioti (organismi unicellulari) lasciano spazio ai primi eucarioti (organismi multicellulari).Per meccanismi ancora non del tutto noti, probabilmente per endosimbiosi, i procarioti vengono inglobati e fagocitati da altri procarioti: il nuovo essere vivente (eucariota) rappresenta l’embrione di un organismo multicellulare composto da un mitocondrio ed una membrana esterna. Al tempo stesso i cianobatteri che ancora basano la loro esistenza consumando CO2 rischiano di estinguersi, quelli che vogliono sopravvivere devono trovare una nicchia ecologica entro la quale continuare a esistere.

Proterozoico (età della Terra: 2,5 miliardi) La vita è apparentemente tranquilla: per un altro miliardo di anni non ci saranno grossi cambiamenti al nostro pianeta. In realtà la Natura lavora incessantemente: in questo periodo di apparente calma (noto come miliardo noioso) la Natura lascia che l’evoluzione darwiniana faccia il suo corso, anche con tentativi fallimentari. E anche il periodo della rivoluzione minerale, ove si formano nuove tipi di rocce.

Proterozoico (età della Terra: 3,5 miliardi) La Terra si trova nel Neo Proterozoico ma un nuovo evento di portata planetaria sta per abbattersi su di essa. Lentamente la temperatura superficiale si abbassa e i ghiacciai aumentano di estensione: lo strato di ghiaccio superficiale causa un aumento di albedo del pianeta ed aumenta così la quantità di radiazione dispersa, ed il pianeta si raffredda ancora di più. Come in un meccanismo di feedback positivo l’abbassamento di temperatura favorisce l’ulteriore estensione dei ghiacciai fino a che essi non ricoprono l’intera superficie terrestre: la terra diventa un pianeta ghiacciato come una palla di neve (modello a Snow Ball) e si colora di bianco.  Probabilmente la frantumazione di Rodinia ha esposto una maggiore quantità di basalto all’azione degli effetti atmosferici (oramai ricca di ossigeno), che avrebbe favorito l’intrappolamento per reazione chimica di CO2. La CO2 costituisce un potente gas serra (il secondo, dopo il vapore acqueo) e la sua diminuzione in atmosfera ha innescato il meccanismo di abbassamento delle temperature e estensione dei ghiacciai a cascata. Alcuni geologi non sono d’accordo sul modello Snow Ball, ma sostengono che la Terra non fosse completamente ricoperta di ghiaccio, ma esistesse una fascia equatoriale non ghiacciata di acqua mista neve ove la luce solare poteva ancora filtrare  sott’acqua e rendere ancora possibile il processo di fotosintesi (modello Slush Ball). Sulla superficie la vita sparì ma non nei fondali oceanici, presso i camini ove attendere migliori condizioni.

Col passare del tempo, i vulcani e l’attività geotermica tornarono a immettere in atmosfera CO2, i ghiacciai iniziarono a sciogliersi e la Terra uscì dall’inverno bianco. Lo scioglimento dei ghiacciai ha lasciato tracce geologiche attraverso i tilliti, un tipo di rocce molto dure deposte e lavorate dai ghiacciai in ritirata. Il livello di ossigeno in atmosfera aumenta ancora, (secondo evento ossidativo) e si accumula una grossa quantità di fosforo e manganese lungo le coste dovuto alla putrefazione dei batteri. L’ossigeno in atmosfera reagisce con i raggi solari dello spettro UV, e si forma la fascia l’ozono (O3) fra i 35 e 40 Km di altezza.  Alla fine del Proterozoico l’atmosfera è potenzialmente “respirabile” per un ipotetico essere umano; la Terra è protetta dalle radiazioni UV e microorganismi multicellulari si trovano su tutto il globo.

(continua)

Bibliografia

Storia della Terra – Parte I

Le stime più recenti sull’età del nostro pianeta portano un valore di 4,567 miliardi di anni: da quando è nato ha subito mutamenti radicali dal punto di vista geologico e climatico e, per altrettanti miliardi di anni, continuerà a fare altrettanto. In questo articolo vogliamo descrivere brevemente la storia del pianeta roccioso che da circa 2,5 milioni di anni (dalla comparsa del genere Homo habilis) ci ospita e costituisce la nostra Casa. Prima di iniziare dobbiamo definire alcune condizioni entro le quali muoverci con facilità, formulare alcune ipotesi di base e formulare un punto di partenza, ovvero un istante di tempo dal quale iniziare la nostra storia. Anzitutto dobbiamo definire cosa è un pianeta roccioso:

Pianeta roccioso

è un particolare tipo di pianeta così come definito dalla UAI nel 2006 con delle caratteristiche ulteriori relative alla sua composizione chimica e materiale,
in particolare la presenza dei seguenti sei elementi (o composizioni di essi):
Ossigeno, Silicio, Alluminio, Ferro, Calcio e Magnesio.

Questo significa che un pianeta roccioso possiede rocce, gemme e minerali di qualsivoglia struttura cristallina la cui composizione chimica contiene i sei elementi sopra elencati. Una definizione più estesa e lasca di pianeta roccioso, include nella lista anche altri tre elementi: sodio (Na), Potassio (K) e Nichel (Ni). Dobbiamo ora definire un punto di inizio della nostra storia, un istante t0 a partire dal quale misurare l’età della Terra: per evitare di dilungarsi troppo nella descrizione, ci baseremo sul fatto che il Sistema Solare si è da poco formato ed il Sole è appena entrato in sequenza principale.

I geologi suddividono la storia della Terra in 4 eoni, ovvero “la più estesa unità cronologica in cui è stata divisa l’età della Terra”:

  • Adeano
  • Archeano
  • Proterozoico
  • Fanerozoico

Ogni eone è suddiviso in periodi ed epoche. Analizziamo in dettaglio gli eventi più significativi di ogni periodo, eventualmente aggiungendo un’ulteriore suddivisione: infine le date che accompagnano il periodo rappresentano gli anni trascorsi dalla formazione del Sistema Solare.

Principali eventi sulla Terra avvenuti nell’eone Adeano. Fonte https://earthhow.com/hadean-eon/
Rappresentazione artistica dell’impatto fra Terra e Theia

Adeano (età della Terra: 50 milioni) In principio la Terra è una massa informe di lava incandescente, un vero e proprio inferno. Si tratta di un periodo più remoto della storia della Terra: i geologi lo hanno chiamato Adeano. La temperatura della Terra è di circa 3000° C e ruota velocemente su sé stessa: un giorno dura cinque ore. A causa della sua rotazione la forma della Terra è ovalizzata, ovvero schiacciata ai poli e condivide la sua fascia orbitale intorno al Sole con un altro pianeta dalle dimensioni di Marte chiamato Theia. Come un valzer gravitazionale, entrambi i pianeti stanno cercando un punto di stabilità orbitale all’interno del Sistema Solare, e si scontrano.

Non possiamo sapere con che modalità sia avvenuto: se l’impatto sia stato frontale o laterale, ma di sicuro lo scontro fu violento e i nuclei di entrambi i pianeti si compenetrano. I frammenti restanti si accumulano per accrescimento sul disco di rotazione terrestre e si forma la Luna. Il nostro satellite orbita vorticosamente intorno alla Terra: una rotazione impiega 8 ore e causa maree consistenti sulla lava fusa che si trova sulla fascia equatoriale terrestre. La Terra inizia a disperdere calore.

Adeano (età della Terra: 100 milioni) La Terra continua il suo processo di raffreddamento, la temperatura diminuisce, la massa di lava fusa inizia lentamente il suo processo di solidificazione. Probabilmente il processo di solidificazione inizia dai poli, dove minore è la forza mareale. Iniziano a formarsi una prima superficie solida che galleggia sul magma infuocato, La lava è composta da minerali e rocce vulcaniche la cui composizione è basata sui sei elementi descritti in precedenza, quindi il processo di solidificazione non avviene ad un’unica temperatura. Composti diversi hanno temperature di fusione diversi, quindi il processo di solidificazione comincia a partire dai minerali che hanno il punto di solidificazione più alto. Si formano quindi minerali come l’olivina ( Mg2SiO4), anortite, anortosite, pirosseni, feldspati e l’enstatite (MgSiO3) ed altri composti piroclastici. In funzione del loro peso specifico questi minerali precipitano sul fondo della sfera terrestre fino a trovare l’equilibrio idrostatico che li “fissa” ad una certa profondità dalla superficie terrestre: i più densi troveranno posizione più vicini al nucleo terrestre, gli altri nel mantello ed altri ancora vicino alla superficie. La solidificazione prosegue fino a formare una prima superficie nera dove il basalto (SiO2 – Al2O3), una roccia nera effusiva, ne costituisce il composto principale che galleggia sul magma infuocato sottostante. Con il passare del tempo la Terra diventa una sfera di basalto e dalle crepe infernali escono quantità enormi di anidride carbonica (CO2), azoto (N2), metano (CH4) e (poca) acqua: l’atmosfera è totalmente irrespirabile: non c’è traccia di ossigeno (O2), sebbene la Terra ne sia piena. Dove si trova, quindi? L’ossigeno si trova tutto sotto i piedi: nei composti, minerali e rocce; sulla superficie l’elettricità statica crea lampi, fulmini, tempeste e forti venti. La vita non può ancora esistere.

Adeano (età della Terra: 200 milioni) La Terra continua il suo processo di raffreddamento e si formano altri composti: la temperatura scende fino a permettere la solidificazione del granito. Il granito ha un peso specifico inferiore al basalto, quindi cerca di farsi largo nelle crepe ancora lasciate aperte sulla superficie, spunta e si erge sopra il basalto dando origine ai prime piccole montagne. Ormai la Terra è uno sferoide solido la cui superficie ha assunto il colore grigio dovuto al granito: è diventato un pianeta roccioso.

Adeano (età della Terra: 300 milioni) La Terra non è l’unico pianeta del Sistema Solare: contemporaneamente ad essa si sono formati anche i giganti gassosi che non si trovano nella posizione che conosciamo oggi, ma molto più vicini. Secondo l’ipotesi della Grande Virata, Giove e gli altri gassosi in quel periodo si trovano molto vicino alla Terra, e anch’essi, come la Terra, stanno cercando la sua valle di stabilità all’interno del Sistema Solare. Giove e Saturno, i due principali pianeti gassosi, entrano così in risonanza tra loro, le loro orbite si allargano e si spostano verso l’esterno, oltre la linea della neve1 del Sistema Solare (circa 5 u.a. all’epoca). Su queste orbite esterne si trova il materiale che non è riuscito ad aggregarsi per formare un nuovo pianeta del Sistema Solare sotto forma di asteroidi, nuclei cometari ed altri corpi rocciosi. Questi oggetti possiedono al loro interno e sulla superficie enormi quantità di molecole complesse basate sul carbonio (amminoacidi) insieme ad ammoniaca (NH3), anidride carbonica (CO2), metano (CH4) in forma solida e tantissimo ghiaccio d’acqua.

Adeano (età della Terra: 300 milioni) Questa Grande Migrazione dei giganti gassosi (molto massivi) provoca un’altrettanta migrazione dei corpi rocciosi minori verso l’interno del Sistema Solare, i quali si abbattono sui pianeti interni, tra cui Mercurio, Marte, Luna e, ovviamente la Terra. La Terra è sede di un continuo e incessante di bombardamenti meteorici per circa centinaia di milioni di anni: gli asteroidi cadono sulla Terra e portano con sé le prime molecole che costituiscono la vita e una grande quantità d’acqua. Inizialmente l’acqua evapora o sublima perché le condizioni (P, T) ancora lo consentono, ma poco a poco le condizioni di temperatura favoriscono la condensazione e le gocce si accumulano in terra e in atmosfera e col tempo si si forma un unico immenso oceano. Lo sappiamo per certo dall’analisi isotopica dell’ossigeno (si presenta in natura sotto forma di tre isotopi: O 16 O 17 e O 18) intrappolato all’interno dello rocce contenente zirconio, un minerale durissimo e uno dei più antichi presenti sulla Terra. Dato che la Terra era in grado di trattenere acqua allo stato liquido in superficie, significa che si trovava già nella zona abitabile del Sistema Solare (CHZ). Il Sole all’epoca era circa il 30% meno luminoso di oggi, quindi si ipotizza che la Terra dovesse avere un’atmosfera molto densa e ricca di CH4 e CO2 con una condizione (P, T) in grado di sostenere l’acqua allo stato liquido (paradosso del Sole debole). La Terra ha cambiato nuovamente colore, l’immenso oceano le dona un  colore azzurro.

Adeano (età della Terra: 500 milioni) La Terra è azzurra, e la terraferma è concentrata in un unico grande continente (probabilmente al polo sud) chiamato Rodinia. È a partire da questo periodo che si fa partire l’origine della vita: il dibattito è ancora aperto e ci sono diverse ipotesi. I primi microorganismi sono stati batteri monocellulari localizzati nelle profondità del mare, ancora non esposti alla luce del Sole, che traevano energia dalle rocce, presso i camini vulcanici utilizzando fotosintesi anossigenica (senza ossigeno) e sfruttando il calore generato dal camino e le quantità di acido solfidrico emesso dal camino, grazie alla seguente reazione.

6 CO2 + 12 H2S –> (C6H12O6) + 6 H2O + 12 S

Questi organismi chiamati procarioti, non avevano organi interni e potrebbe essere che sfruttassero per il proprio sostentamento anche i processi di organizzazione e di mineralizzazione delle rocce. Ancora non è noto il processo per cui molecole complesse basate sul carbonio siano intervenute nel processo della nascita e formazione della vita e probabilmente si trattava di un mondo a RNA, ovvero basato solo sull’acido ribonucleico, la molecola responsabile del processo di ereditarietà generica dell’organismo.

(continua)

1. linea della neve (frost line): distanza immaginaria dalla stella oltre la quale la temperatura e’ bassa da permettere la formazione di metano, ammoniaca, acqua e anidride carbonica allo stato solido (ghiaccio)

Bibliografia

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