Antartide, la scoperta di un continente perduto sotto i ghiacci

Sotto i ghiacci dell’Antartide si nascondono i resti di antichi continenti perduti. Li ha visti il satellite europeo Goce, che dal 2009 al 2013 ha studiato la gravità terrestre. Sono almeno tre frammenti, un tempo uniti ad Africa, Australia e India, i più antichi dei quali potrebbero avere un’età compresa tra 1 miliardo e 550 milioni di anni. Pubblicata sulla rivista Scientific Reports, la scoperta si deve all’università tedesca di Kiel e al British Antarctic Survey (Bas) e parla anche italiano con Fausto Ferraccioli, responsabile della ricerca geologica e geofisica del Bas.

I ricercatori hanno analizzato i dati della missione dell’Agenzia Spaziale Europea (Esa), che ha misurato le sottili differenze di gravità da un punto all’altro della Terra con una risoluzione di 80 chilometri, e li hanno confrontati con l’andamento delle onde sismiche, che permette di radiografare l’interno del pianeta: in questo modo hanno ottenuto una mappa 3D delle placche continentali che ha aperto una finestra sulle profondità della Terra e in particolare dell’Antartide.

Gli indici di curve di forma derivate dalle misurazioni del gradiente di gravità GOCE sono stati utilizzati per comprendere il movimento tettonico della placca nella regione antartica e in generale la Terra. Questa animazione mostra la separazione dell’Antartide e dell’Australia dall’antico Gondwana, da 200 milioni di anni fa ad oggi. Le nuove immagini aiutano a collegare i nuclei di questi continenti e contribuiscono a una migliore comprensione di queste parti remote del mondo.

“Queste immagini della gravità “stanno rivoluzionando la nostra capacità di studiare il continente meno conosciuto, l’Antartide”, rileva Ferraccioli. Sotto l’Antartide orientale, aggiunge, “vediamo un emozionante mosaico” di frammenti di continenti perduti, chiamati ‘cratoni’, “che rivelano somiglianze e differenze tra la crosta sotto l’Antartide e gli altri continenti”, cui i frammenti erano uniti “fino a 160 milioni di anni fa”. Si è scoperto inoltre che l’Antartide occidentale ha una crosta più sottile, dello spessore compreso fra 20 e 35 chilometri, rispetto a quella dell’Antartide orientale, costituita da relitti di antichi continenti dello spessore compreso fra 40 e 60 chilometri, separati da strutture più giovani.

I relitti sono almeno tre e i più antichi sono il frammento che è collegato al cosiddetto Cratone Mawson, che in passato comprendeva parti dell’Australia meridionale, e il relitto nascosto sotto La Terra della Regina Maud. I due frammenti sono separati dalla catena dei Monti Gamburtsev, sepolta sotto i ghiacci. Non è chiara, invece, l’origine del terzo frammento, posto tra il Mare di Weddell e il Polo Sud. I tre frammenti emergono solo dai dati di Goce e non dall’analisi delle onde sismiche e, scrivono i ricercatori, “rappresentano un nuovo elemento importante per studiare l’Antartide”. Il risultato, rilevano gli esperti dell’Esa, potrebbe fornire indizi su come la struttura continentale dell’Antartide stia influenzando il comportamento dei ghiacciai e come il continente bianco risponderà al loro scioglimento.

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figura  1 La mappa della crosta terrestre sotto l’Antartide, ricostruita sulla base dei dati del satellite Goce (fonte: Kiel University/BAS)

 

Come funzionava GOCE: Il Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer (GOCE) era un satellite sviluppato dall’Agenzia Spaziale Europea per analizzare la variazioni del campo gravitazionale terrestre. Lo strumento principale del satellite è un 3-Axes Electrostatic Gravity Gradiometer (EGG), un gradiometro basato su 3 coppie di accelerometri a 3 assi, la cui sensibilità arrivava fino a 2 × 10−13  g.

Per poter misurare il gradiente di gravità, il satellite era dotato di un controllo drag free, in grado di misurare l’attrito con le particelle residue di atmosfera e del vento solare e di compensarlo 10 volte al secondo per mezzo di un motore a ioni in grado di fornire una spinta compresa tra 1 e 20 mN (0,1-2 grammi) sul satellite di circa 1100 kg di massa. Un ricevitore GPS di precisione forniva i dati per correlare la posizione del satellite al centimetro, permettendo la determinazione delle componenti a bassa frequenza del gradiente.

La misurazione del campo gravitazionale terrestre ha permesso di determinare per la prima volta il geoide terrestre con la precisione di un cm su una scala di 100 km da usare come futuro riferimento per la comprensione della circolazione delle correnti oceaniche, per la determinazione dei riferimenti geodetici su scala mondiale e per molte altre applicazioni in geodesia e geofisica. L’andamento delle correnti oceaniche è fondamentale per comprendere l’andamento del clima terrestre.

Il satellite, a differenza dei precedenti satelliti ESA per l’osservazione della Terra come l’Envisat, è un satellite con una singola missione osservativa e quindi più compatto. Insieme ai satelliti SMOS e CryoSat e agli altri satelliti della serie Earth Explorer attualmente in sviluppo, GOCE è il capostipite degli Esploratori Terrestri, nati dalla nuova politica ESA nel campo delle scienze della Terra, la quale preferisce puntare su satelliti specializzati di piccole dimensioni invece che su grandi satelliti tuttofare.

L’11 novembre 2013, intorno all’1:00 CET, il satellite GOCE, non più utile ai fini scientifici, è rientrato nell’atmosfera terrestre disintegrandosi. 

Calotta glaciale antartica: La calotta glaciale antartica è la più grande massa singola di ghiaccio della Terra. Copre un’area di quasi 14 milioni di km² e contiene approssimativamente 30 milioni di km³ di ghiaccio. Circa il 90% dell’acqua dolce del pianeta è contenuto nella sua calotta glaciale che, se si sciogliesse, causerebbe un innalzamento del livello del mare di 61,1m.

Lo spessore medio della calotta glaciale antartica è di 1.829 m, anche se mediamente è maggiore nella parte orientale con 2.226 m rispetto ai 1.306 m della parte occidentale, raggiungendo il massimo di 4.776 m. Il ghiaccio riempie anche il punto più basso dell’Antartide sotto il livello del mare, rappresentato dalla Fossa subglaciale di Bentley a -2.538 m, situata nella parte occidentale del continente antartico.

La calotta glaciale antartica è divisa dai Monti Transantartici in due parti disuguali: la calotta glaciale antartica orientale (in inglese «East Antarctic ice sheet – EAIS») e la calotta glaciale antartica occidentale (in inglese «West Antarctic Ice Sheet – WAIS»). Quella orientale poggia su una massa continentale mentre quella occidentale è classificata come una calotta di ghiaccio con base marina: il suo letto quindi giace sotto il livello del mare mentre i suoi confini fluiscono verso piattaforme di ghiaccio galleggianti.

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figura  2 L’Antartide “spogliata” della calotta glaciale Se non fosse per la presenza del ghiaccio, l’acqua sommergerebbe gran parte dell’Antartide occidentale e una discreta percentuale dell’Antartide orientale. Qui si sta ipotizzando che il ghiaccio scompaia del tutto, non che si sciolga, il che comporterebbe l’innalzamento del livello del mare con conseguente ulteriore sommersione del bedrock antartico. Tale sommersione sarebbe comunque contrastata da un altro fenomeno di cui qui non si tiene conto: il fatto che, una volta liberato del peso della calotta di ghiaccio che lo schiaccia, il bedrock antartico si alzerebbe di centinaia di metri nell’arco di decine di migliaia di anni.

Componenti di curvatura sul continente antartico: La struttura litosferica della maggior parte dei continenti è relativamente ben compresa, almeno in termini di conoscenze di base riguardanti l’estensione di cratoni, orogeni, spaccature principali e bacini intracratonici e la posizione delle zone di subduzione e collisione. Tuttavia, per alcune parti del continente antartico manca ancora una conoscenza paragonabile, nonostante la sua importanza globale all’interno del ciclo del supercontinente dopo l’Archaean  e l’influenza chiave che la sua litosfera esercita sulle sovrastanti calotte polari. La spessa coltre di ghiaccio e la lontananza dell’Antartide rendono le indagini geologiche e geofisiche particolarmente impegnative. Quindi, Hdespite la grande portata della recente copertura aeromagnetica dei dati e di aerogravità, una mappa di elementi tettonici su scala continentale che è necessaria per aiutare le ricostruzioni di placche globali resta da definire.

Qui, sfruttiamo i nostri prodotti di curvatura per aiutare le indagini in corso sull’architettura crostale e litosferica dell’Antartide (Figura  3 ). La caratteristica più eclatante è il contrasto tra la crosta più spessa del cratone orientale dell’Australia (spessore 40-60 km) e la crosta più sottile nell’Antartide occidentale (20-35 km di spessore), ripresa sia dagli studi sismici passivi sia dagli studi di gravità nell’aria. Le montagne transantartiche si sono formate lungo il confine litosferico tra l’est e l’ovest dell’Antartide, e nonostante siano sottostimate da una piccola radice crostale, appaiono come una forte anomalia negativa nella minima curvatura (Fig.  3). Ciò suggerisce che un’anomalia termica del mantello superiore (che porta a densità relativamente basse) probabilmente contribuisce al loro supporto isostatico, come proposto da recenti indagini sismiche passive.

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figura  3 Confronto dei prodotti GOCE con la profondità Moho e la topografia del bedrock per l’Antartide. Colonna sinistra: curvatura minima e indice di forma dopo correzione topografica. Colonna destra: gli stessi campi dopo una correzione isostatica aggiuntiva. In basso: profondità 34 di Moho e topografia del substrato roccioso 48 . EANT = East Antarctica, WANT = West Antarctica, DML = Dronning Maud Land, EL = Ellsworth Land, GM = Gamburtsev Monti subglaciali, MBL = Marie Byrd Land, MC = Mawson Craton, WS = Mare di Weddell, SP = Polo Sud, WARS = West Antarctic Rift System, TAM = Transantarctic Mountains.

Per concentrarsi maggiormente sulla struttura interna del continente, discutiamo nelle seguenti componenti di curvatura corrette isostatiche. Nell’indice di forma corretta isostatica (figura  3 ), l’area costiera da Marie Byrd Land a Ellsworth Land presenta un’alternanza di anomalie positive e negative. In particolare, sotto Marie Byrd Land si osserva un indice a forma di ciotola nella regione di un pennacchio di mantello Cenozoico. Mentre l’indice di forma non conferma di per sé la presenza di un pennacchio del mantello, l’anomalia supporta l’ipotesi di un mantello superiore di densità relativamente inferiore sotto la cupola del Marie Byrd Land. Ne deduciamo che questo è probabilmente legato a un’anomalia termica del mantello superiore, indipendentemente proposta dalla tomografia sismica. Entrambe le mappe di curvatura minima e massima corrette topograficamente (Figura  3 e Materiale Supplementare) rivelano l’estensione su scala continentale del Cretaceous West Antarctic Rift System  e il più vecchio Jurassic Weddell Sea Rift System. Tuttavia, i bacini di rifusione subglaciale Cenozoico più stretti che si sovrappongono alla più ampia regione di estensione nel West Antarctic Rift System, che sono ben risolti dalla gravità aerea, non sono rappresentati dai dati della gravità del satellite a causa della sua risoluzione spaziale (~ 80 km a metà lunghezza d’onda).

L’interno dell’Antartide orientale è pensato, basandosi sull’interpretazione magnetica aeromagnetica e satellitare, per essere un mosaico di province cratoniche precambriane e cinture orogeniche di età e origine malconvolate e tuttavia molto dibattute. Nei prodotti di curvatura (e specialmente nell’indice di forma corretto topografico e isostatico) l’interno dell’Antartide orientale sembra includere almeno tre principali domini litosferici eterogenei. Uno è in correlazione con il Mawson Craton, che comprendeva anche grandi parti dell’Australia meridionale prima della rottura di Gondwana, mentre il secondo corrisponde alla regione del Supereroe dell’Arco Tonico Infernale inferito, all’interno di Dronning Maud Land Questi domini sembrano essere separati dalla regione dei Monti Subglaciali di Gamburtsev, dove la crosta è spessa fino a 60 km, e una fascia orogenica di ca. È stato proposto 1 Ga  o ca 550 Ma anni . L’origine del terzo dominio, apparentemente situata tra il Mare di Weddell e il Polo Sud, e la sua relazione con Mawson Craton non è chiara. Questa regione scarsamente esplorata include il cosiddetto “Polar Gap” a sud di 83 ° S, dove i dati GOCE non sono disponibili (a causa dell’inclinazione dell’orbita satellitare) e quindi vengono usati i dati di risoluzione GRACE inferiori. Questi tre domini distinti non sono evidenti nella tomografia sismica attualmente disponibile e rappresentano un nuovo elemento importante per studiare l’Antartide in relazione alle ricostruzioni tettoniche a placche globali, sia prima che dopo la disgregazione di Gondwana (vedi il materiale supplementare per un’illustrazione).

Riferimenti

  1. GOCE gives in to gravity, su esa.int. 
  2.  Il satellite Goce rientrato nell’atmosfera, in Corriere della Sera,
  3. Area of the Polar Ice Caps
  4. Volume of Earth’s Polar Ice Caps
  5. Antarctica Fact File Archiviato il 13 aprile 2013 in Internet Archive.
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