Quantificazione sperimentale del contenuto di idrogeno nel nucleo terrestre

Acqua nascosta nelle profondità del nostro pianeta

La maggior parte dell’acqua della Terra è evidente: riempie i nostri oceani, fiumi e nuvole. Ma per decenni gli scienziati hanno sospettato che un enorme serbatoio invisibile di idrogeno — l’ingrediente chiave dell’acqua — potrebbe essere rinchiuso molto lontano sotto i nostri piedi, nel nucleo metallico della Terra. Questo studio fornisce la prima evidenza sperimentale diretta che l’idrogeno può essere immagazzinato nel nucleo in grandi quantità, mostrando che il nostro pianeta potrebbe aver portato al suo interno gran parte della sua acqua fin dall’inizio, piuttosto che riceverla principalmente da comete ghiacciate in seguito.

Perché cercare acqua nel nucleo?

L’idrogeno è l’elemento più comune nel Sistema Solare, eppure la Terra è spesso descritta come «secca» rispetto ad alcuni meteoriti primitivi. Nonostante la superficie sia coperta dagli oceani, lavori precedenti suggerivano che ancora più idrogeno potrebbe risiedere nel nucleo, legato in una lega con il ferro. Le stime esistenti, tuttavia, erano estremamente incerte — variano di un fattore 10.000 — perché l’idrogeno è estremamente difficile da misurare alle pressioni schiaccianti e alle temperature roventi in cui si è formato il nucleo terrestre. La maggior parte degli studi precedenti doveva dedurre il contenuto di idrogeno indirettamente da piccole variazioni nelle dimensioni dei cristalli, un metodo facilmente confondibile dalla presenza di altri elementi come silicio e ossigeno.

Ricreare gli inizi infuocati della Terra

Per affrontare questo problema, gli autori hanno ricreato le condizioni della Terra primordiale comprimendo e riscaldando minuscoli campioni in celle ad incudine di diamante. Hanno sandwichato ferro puro tra sottili strati di roccia fusa ricca d’acqua e poi hanno colpito il campione con potenti laser, raggiungendo pressioni superiori a più di un milione di atmosfere e temperature oltre i 5.000 kelvin. In queste condizioni il ferro si comporta come un melt metallico, mentre la roccia circostante forma un oceano magmatico — un surrogato sperimentale dell’ambiente di nascita del nostro pianeta. Durante questi riscaldamenti brevi ma intensi, idrogeno, silicio e ossigeno migrarono dalla roccia fusa nel metallo fuso, proprio come sarebbe avvenuto durante la formazione del nucleo 4,5 miliardi di anni fa.

Osservare l’idrogeno a scala atomica

Dopo aver raffreddato rapidamente i campioni, i ricercatori hanno usato una tecnica avanzata chiamata tomografia a sonda atomica. Hanno modellato il metallo recuperato in punte a forma di ago larghe solo decine di nanometri e poi hanno fatto evaporare gli atomi dalla punta uno per uno, misurandone massa e posizione. Questo ha permesso di costruire mappe tridimensionali della chimica del campione a risoluzione quasi atomica. Hanno scoperto che, durante il raffreddamento del metallo fuso, silicio e ossigeno si raccoglievano in ammassi nanoscopici all’interno del ferro. Crucialmente, questi ammassi contenevano anche grandi quantità di idrogeno, formando piccole regioni arricchite in tutti e tre gli elementi insieme. Le firme chimiche hanno dimostrato che questo idrogeno non poteva essere spiegato da gas vaganti nello strumento — doveva provenire dal campione sperimentale stesso.

Quanta idrogeno può contenere il nucleo?

Poiché idrogeno e silicio si legavano con l’ossigeno in quantità molari quasi eguali all’interno di questi ammassi, il team ha potuto stimare l’idrogeno nel nucleo usando il silicio come proxy. A differenza dell’idrogeno, il contenuto di silicio nel nucleo terrestre è relativamente ben vincolato da modelli geofisici ed esperimenti, oscillando tra circa il 2 e il 10 percento in peso. Assumendo il rapporto approssimativamente uno a uno idrogeno-silicio osservato negli esperimenti, gli autori deducono che il nucleo della Terra contiene probabilmente tra lo 0,07 e lo 0,36 percento in peso di idrogeno. Espresso in modo più intuitivo, ciò equivale a circa 9–45 volte la quantità di acqua attualmente presente negli oceani terrestri.

Cosa significa questo per la storia dell’acqua sulla Terra

Questi risultati supportano uno scenario in cui la Terra ha acquisito gran parte della sua acqua durante le fasi principali della crescita planetaria, invece di dipendere principalmente da corpi ghiacciati arrivati in ritardo. Se il nucleo ospita decine di oceani di idrogeno, allora la Terra nel suo complesso potrebbe contenere vicino all’1 percento di acqua in peso considerando insieme superficie, mantello e nucleo. Nel corso dei tempi geologici, parte di questo idrogeno profondo, legato in fasi ricche di silicio e ossigeno, potrebbe essere rilasciato di nuovo nel mantello e forse influenzare l’attività vulcanica e il ciclo dell’acqua a lungo termine. Per i non specialisti, l’idea chiave è semplice: il nostro apparentemente familiare pianeta azzurro potrebbe nascondere una quantità di idrogeno pari a un vasto, antico oceano nel suo cuore metallico, ridefinendo la nostra comprensione di dove provenga l’acqua della Terra e di come circoli nel profondo interno.

Citazione: Huang, D., Murakami, M., Gerstl, S. et al. Experimental quantification of hydrogen content in the Earth’s core. Nat Commun 17, 1211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68821-6

Parole chiave: idrogeno nel nucleo terrestre, acqua nel profondo della Terra, accrescimento planetario, partizionamento metallo-silicato, tomografia a sonda atomica