Perché gli elementi più comuni nell’Universo sono così rari sulla Terra?

L’Universo è composto principalmente da due elementi: idrogeno ed elio. Questi elementi, prodotti in grandi quantità durante il Big Bang, costituiscono la maggior parte della materia osservabile nel cosmo. Eppure sulla Terra sono sorprendentemente rari. L’idrogeno, sebbene abbondante sotto forma di acqua, costituisce solo una piccola frazione della massa terrestre. Quanto all’elio, è così raro che fu scoperto solo nel XIX secolo grazie alle sue righe spettrali osservate durante un’eclissi solare. Ma allora, perché questi elementi sono così abbondanti nell’Universo così discreti sul nostro pianeta?

L’origine cosmica dell’idrogeno e dell’elio

La prevalenza di idrogeno ed elio risale ai primissimi istanti successivi alla Big Bangci sono circa 13,8 miliardi di anni. Durante questo periodo iniziale, l’Universo era estremamente denso e caldo, composto principalmente da una zuppa di quark e gluoni. Quando questi quark si raffreddarono, si combinarono per formare protoni e neutroni, gli elementi costitutivi di base degli atomi.

Nei primi tre minuti successivi al Big Bang, le condizioni di temperatura e pressione erano ideali per la fusione nucleare, processo che portò alla formazione di nuclei atomici più leggeri. L’idrogeno, l’elemento più semplice, veniva prodotto in grandi quantità. Contemporaneamente, una piccola frazione di questi protoni e neutroni si unì per formare elio.

La maggior parte degli elementi pesanti non si è quindi formata durante questa fase iniziale del Big Bang. Sono apparsi più tardi, nel cuore delle stelle. In effetti, le stelle si comportano come fornaci nucleari che trasformano l’idrogeno in elio mediante fusione nucleare durante la loro vita. Man mano che le stelle invecchiano, possono creare elementi ancora più pesanti come carbonio, ossigeno e così via fino al ferro. Questi elementi vengono poi dispersi nell’Universo durante le esplosioni di supernova, arricchendo il mezzo interstellare con materiali che formeranno le future generazioni di stelle e pianeti.

Nonostante queste trasformazioni, il la maggior parte della materia barionica dell’Universo (quello che si vede) rimane sotto forma di idrogeno ed elio (rispettivamente circa il 74% e il 24%). Questo squilibrio è spiegato dalla semplicità e dalla stabilità dei nuclei di idrogeno ed elio che sono persistiti durante l’evoluzione cosmica.

Il paradosso della scarsità sulla Terra

Nonostante la loro abbondanza universale, l’idrogeno e l’elio sono elementi relativamente raro sulla Terra (rispettivamente 0,14% e 0,00052% della crosta terrestre in massa). Questo fenomeno può sembrare paradossale a prima vista, data la loro prevalenza nell’Universo, ma può essere spiegato dalle condizioni uniche di formazione ed evoluzione della Terra.

Sebbene sia un componente essenziale dell’acqua, l’idrogeno è in realtà raro in forma libera sulla Terra. Il motivo principale è che l’idrogeno molecolare (H₂) è un gas molto leggero capace di sfuggire facilmente all’atmosfera terrestre. La gravità del nostro pianeta infatti non è abbastanza forte da trattenere questo gas leggero per lunghi periodi. Al contrario, l’idrogeno si lega facilmente ad altri elementi, formando acqua (H₂O) e vari composti organici, che contribuiscono alla sua presenza nell’ambiente terrestre.

Per quanto riguarda l’elio, la sua rarità è ancora più marcata. Come gas nobile, esso non si combina chimicamente con altri elementiil che significa che non è intrappolato nei composti terrestri. Inoltre, proprio come l’idrogeno, la sua bassa massa atomica glielo consente sfuggire facilmente all’atmosfera terrestre. La maggior parte dell’elio trovato sulla Terra proviene principalmente dal decadimento radioattivo di alcuni elementi pesanti nelle profondità del pianeta, non dal disco protoplanetario originale.

In altre parole, mentre i pianeti giganti gassosi come Giove hanno conservato gran parte dell’idrogeno e dell’elio prelevati dall’atmosfera disco protoplanetario da cui sono nati per le loro enormi dimensioni e la forte gravità, li ha la Terra, più piccola e più vicina al Sole ha perso la maggior parte di questi elementi leggeri.