Gradienti della Terra e non solo – di Carlo Doglioni

 

Pierre Curie diceva che “è l’asimmetria che genera il fenomeno”. Un’asimmetria è la mancanza di simmetria di una forma geometrica, ma può essere anche immaginata come una differenza di un dato parametro e considerarla causa di un gradiente. Un gradiente indica una variazione di un qualsiasi parametro fisico o chimico. Un gradiente però può essere anche la variazione di qualsiasi altro valore: economico, sociale, culturale. Un gradiente può essere il grado di inclinazione di un piano; in fisica il tasso con cui per esempio pressione o temperatura variano con la distanza o nel tempo; in matematica, un gradiente può essere un vettore avente componenti che sono le derivate parziali di una funzione rispetto alle sue variabili; in chimica, un gradiente può essere identificato come le differenze elettrochimiche tra due corpi o materiali; in biologia, un gradiente può essere considerato come le differenze progressivamente crescenti o decrescenti nel tasso di crescita, nel metabolismo, l’attività fisiologica di una cellula, organo o organismo. Vi sono poi una lunga serie di gradienti di carattere sociale ed economico. Più gradienti di parametri che agiscono insieme con tempi e tassi diversi e comportamenti non lineari determinano sistemi caotici, anche autorganizzati.

Un gradiente genera energia, produce o è l’espressione di una differenza. Il gradiente di potenziale elettrico tra i due poli di una batteria permette di accendere una macchina. Un fulmine è la liberazione di energia dovuta alla creazione di un gradiente di potenziale elettrico quando questo supera la resistenza dell’aria. L’attrazione gravitazionale è controllata dalla differenza di massa tra due corpi dove quello di massa più grande e in grado di deformare maggiormente lo spazio-tempo, attraendo quello di massa minore. Un buco nero diventa tanto più attrattore di materia, tanto maggiore è il gradiente di massa e quindi il tiro gravitazionale rispetto alle aree adiacenti. Il raggio laser, oramai entrato in molteplici applicazioni da misurazioni astronomiche, alla chirurgia o alla fissazione dei metalli nelle stampanti 3D, deve la sua natura al gradiente di accelerazione degli elettroni. Se si punta un raggio laser verso l’alto, le particelle levitano, perché la pressione radiante contrasta la forza di gravità: i due gradienti si compensano. Perché dormiamo distesi? Per annullare il gradiente gravitazionale tra testa e piedi che il cuore deve vincere pompando con maggior forza il sangue dal basso verso l’alto: sul nostro materasso azzeriamo il differenziale e il cuore riposa, assieme al cervello che nel frattempo si ripulisce dal gradiente di tossine accumulate durante il giorno.

La Terra è viva perché è dotata di gradienti che la fanno ruotare, avere un’atmosfera dinamica, un mantello mobile. Quale è la natura di questi gradienti del pianeta? Come possiamo studiarli e in che modo scandiscono la dinamica della Terra? Quali altri gradienti è importante conoscere? Siamo in  grado di governare alcuni di questi fenomeni?

Ogni soffio di vento è determinato da un gradiente di pressione: le aree dove la pressione atmosferica è maggiore spingono l’aria verso le zone di pressione minore. Le variazioni di temperatura e il contenuto di umidità nell’atmosfera generano i gradienti di densità e pressione che controllano l’evoluzione meteorologica e climatica.  Più grande è il gradiente, più sono veloci i venti che accompagnano una perturbazione. Cicloni, tornadi, pioggia e neve sono controllati da gradienti. Nei due emisferi, la forza di Coriolis gioca in modo opposto e il gradiente di velocità lineare induce circolazione atmosferica oraria o antioraria.

I fiumi scorrono a valle perché c’è sempre un gradiente topografico e quindi gravitazionale: la gravità non smette mai di funzionare. I torrenti scavano le montagne, abbassano il gradiente topografico, smussano il rilievo: che sia un rigagnolo di una collina o il Rio delle Amazzoni, a far fluire l’acqua è sempre il gradiente topografico. Perturbazioni atmosferiche determinano forti piogge, che a loro volta abbassano la frizione nel suolo e nelle rocce, provocando frane: è un susseguirsi di gradienti che modellano la superficie terrestre, con la tendenza a diminuire o eliminare le irregolarità morfologiche.

I vulcani eruttano violentemente perché all’interno delle camere magmatiche, dove si accumula la lava che fonde anche le rocce incassanti, si creano dei gradienti di pressione tali da sfondare la crosta terrestre sovrastante. Il gradiente di densità che si genera per l’espansione termica delle rocce fuse, contribuisce alla risalita del magma che, non appena in superficie, con l’atmosfera trova un gradiente opposto e dunque la lava scende per gravità sui fianchi dell’apparato vulcanico, o si disperde con nubi piroclastiche. Tanto più alta è la viscosità dei magmi, tanto maggiore è il gradiente di pressione che riesce ad accumularsi e la viscosità tende generalmente ad aumentare con il contenuto in silice del magma. Più alta è la  viscosità del magma, maggiore è l’esplosività ed episodicità del vulcanismo.

La litosfera è il guscio esterno della Terra con uno spessore medio di circa 100 km (variabile tra 30-250 km) ed è costituita dalla crosta terrestre e il mantello litosferico. La crosta rappresenta il differenziato chimico più leggero della Terra e può essere continentale o oceanica, con spessori medi di 30-40 km e 3-10 km rispettivamente. La litosfera ha alla sua base una temperatura di circa 1300°C e poggia su quella che viene definita astenosfera (sfera debole). L’astenosfera va da circa 100 a 410 km di profondità e tra 100-180 km è caratterizzata da un relativo abbassamento della velocità delle onde sismiche. Per questo motivo tale livello è chiamato ‘canale a bassa velocità’ o low velocity layer. In questo livello l’astenosfera presenta un abbassamento della viscosità che permette alla litosfera di ‘scivolare’ sull’astenosfera. Quindi la litosfera è leggermente disaccoppiata rispetto al mantello sottostante, riuscendo a muoversi di alcuni centimetri l’anno. Tra l’altro questo movimento è polarizzato verso ovest, o meglio lungo un flusso esemplificato dall’equatore tettonico che è un cerchio massimo formante un angolo di circa 30° con l’equatore geografico. Quale è la forza che spinge la litosfera verso ovest? Nel suo moto di rotazione verso est, la Terra è soggetta all’attrazione gravitazionale della Luna e del Sole, fenomeno che genera le maree sia liquide che solide. Sì, anche la parte solida della Terra è soggetta a continue oscillazioni sia verticali che orizzontali, accompagnate da variazione della gravità terrestre. Non ce ne rendiamo conto e i pavimenti di casa non deformano per la marea solida perché la bolla mareale ha una lunghezza di migliaia di km. La Terra però non è un corpo perfettamente elastico, ma ha una certa componente di anelasticità: questo è evidente anche nell’intorno degli epicentri dei terremoti visto che l’energia sprigionata viene gradualmente dissipata nell’intorno dell’epicentro, lungo il piano di movimento, cioè la faglia, mentre allontanandosi lo scuotimento decresce piuttosto rapidamente. L’anelasticità della Terra fa sì che quando la Luna è allo zenit, la superficie si protragga verso il nostro satellite con alcuni minuti di ritardo, determinando un rigonfiamento che è disallineato rispetto alla linea di massima attrazione gravitazionale Terra-Luna. Questo rialzo si trova dunque in condizione di instabilità e tende a produrre un momento e quindi una forza orientata verso ovest, dando una spiegazione della deriva della litosfera verso ovest. Questo rappresenta un piccolo freno sulla rotazione terrestre che rallenta di 2 millisecondi al secolo, spiegando perché 400 milioni di anni fa l’anno aveva circa 400 giorni e il giorno durava circa 20 ore e perché la Luna si sta allontanando dalla Terra di circa 4 cm all’anno per la conservazione del momento angolare. Il disallineamento tra rigonfiamento mareale e linea di forza gravitazionale Terra-Luna provoca un gradiente in grado di spingere la litosfera verso ovest.

La litosfera però è rotta in frammenti, le cosiddette placche che, trovandoci su una sfera, sono delle calotte curve, si muovono l’una rispetto all’altra. Perché c’è differenza di velocità tra loro? Una spiegazione semplice è che nel canale a bassa velocità vi siano delle variazioni di viscosità che vincolano il grado di disaccoppiamento tra la singola placca e il mantello. Gradienti laterali di viscosità sul piano di scollamento controllano cioè i gradienti di velocità tra le placche e quindi la sismicità che è dovuta a gradienti di pressione che si sviluppano ai margini tra le placche, siano esse in avvicinamento, allontanamento o scorrimento laterale. La placca più veloce al mondo è quella Pacifica che si muove verso ovest-nord-ovest rispetto al mantello di oltre 10 cm (forse 20 cm) all’anno ed è la placca che ha al di sotto un canale a bassa velocità con la minore viscosità conosciuta (10^17 Pa s), a riprova che la velocità delle placche rispetto al mantello e quindi anche tra loro stesse, è funzione dei gradienti di viscosità alla loro base.

Un fattore fondamentale nel controllo della tettonica delle placche è dunque l’influenza delle variazioni laterali di spessore, densità e composizione sia nella litosfera che nel mantello astenosferico. Sono questi contrasti a controllare l’entità del movimento relativo tra litosfera e astenosfera, in sostanza la velocità di una placca. Se vi fosse uno scollamento relativo globale uniforme tra litosfera e mantello, allora la litosfera si comporterebbe come un guscio unico, coerente e senza velocità relative interne: non ci sarebbe cioè tettonica delle placche. Questa è forse la situazione di altri pianeti, dove probabilmente la litosfera continentale si è accresciuta fino a ricoprire l’intero globo, cosa che lentamente sta avvenendo anche sulla Terra. Oltre un determinato spessore, la litosfera continentale appare incomprimibile. Perché venga compressa dev’essere prima disgregata con una distensione che richiede molta meno energia. Con una litosfera continentale spessa e uniforme di 150-200 chilometri che coprisse l’intero pianeta, non ci sarebbe tettonica delle placche perché essendoci una condizione di equilibrio non ci sarebbe la possibilità di comprimere o di distendere la litosfera. E’ forse anche questa una delle ragioni del perché non esiste la tettonica delle placche, così come la conosciamo noi, su altri pianeti. Invece la presenza limitata di litosfera continentale sulla superficie terrestre e il contrasto con quella oceanica più sottile e più densa, inducono l’instaurarsi di velocità differenziali e quindi di movimenti relativi tra elementi di litosfera, perchè ognuno d’essi è caratterizzato alla sua base da valori di viscosità diversa dell’astenosfera, gradienti che controllano l’entità dello scollamento della litosfera e quindi della sua velocità.

Possiamo definire una placca come un frammento di litosfera caratterizzato da una velocità propria, diversa da quella degli elementi litosferici attigui. Per innescare una subduzione, dove la litosfera entra nel mantello terrestre, è sempre necessaria la presenza di un contrasto di spessori litosferici e di velocità relative diverse: il più sottile e più denso sarà sempre quello che va in subduzione e la subduzione sarà verso ovest se la litosfera più sottile si trova ad est, mentre sarà verso est se la litosfera più sottile si trova ad ovest o, più precisamente, più che est-ovest, lungo il tracciato delle linee di flusso esemplificate dall’equatore tettonico. Questo vale sia per la litosfera oceanica che per quella continentale, sebbene la litosfera oceanica abbia capacità di gran lunga superiore di scendere in subduzione.

La tettonica delle placche si realizza dunque perché le varie placche hanno velocità variabili lungo le linee di flusso, con valori relativi di movimento oscillanti tra 0 e 18 centimetri l’anno. Le attuali linee di flusso, caratterizzanti il movimento delle placche, risultano valide dagli ultimi 40 milioni d’anni. In realtà la loro vitalità sembra essere molto più antica in gran parte del globo, fino ad almeno tutto il fanerozoico (ultimi 570 milioni d’anni). La placca pacifica, che evidenzia varie rotazioni durante gli ultimi 100 milioni d’anni, è forse uno degli elementi di litosfera più instabile. La sua enorme dimensione prevede anche alla sua base notevoli eterogeneità nel mantello, che possono produrre velocità differenziali o fenomeni di fulcro che permettono l’attuarsi di rotazioni. A questo punto possiamo forse rispondere alla domanda perché una catena di montagne cessa di formarsi? La risposta può essere semplicemente perché si raggiungono spessori tali di crosta e litosfera con i quali vengono a mancare i gradienti suesposti, cioè contrasto di spessore e di velocità tra le due placche in gioco.

Sulla base delle velocità delle stazioni GPS e del comportamento della cerniera delle zone di subduzione, è possibile calcolare i volumi di litosfera che si incuneano nel mantello terrestre: sono circa 300 milioni di km3. C’è però un’asimmetria, cioè i volumi delle subduzioni che si immergono verso ovest è di oltre 200 km3, il rimanente è per le subduzioni opposte verso est (cordillere americane) o nordest (sistema alpino-himalayano). Vi è quindi una differenza di riciclo tra i due sistemi che deve implicare un gradiente di volumi e quindi di compensazione all’interno del mantello terrestre che deve relativamente migrare da ovest a est per reintegrare il gradiente di massa. Tutto ciò è coerente con una tettonica delle placche polarizzata, con la litosfera che si muove relativamente verso ovest rispetto al mantello, per l’effetto combinato dei gradienti astronomici generati da disallineamenti gravitazionali ed endogeni quali gradienti di temperatura, composizione e viscosità. Questa asimmetria compatibile con la differenza tra le catene montuose associate alle zone di subduzione: basse, con un profondo bacino di avanfossa e la presenza di un bacino di retroarco per le subduzioni dirette a ovest, mentre sono elevate e costituite da grandi affioramenti di rocce profonde e cristalline, con un’avanfossa poco profonda e l’assenza del bacino di retroarco per le subduzioni dirette a est o nordest. Esempi di questa asimmetria sono le subduzioni dell’ovest rispetto a quelle dell’est Pacifico, oppure gli Appennini rispetto alle Alpi.

 

Gradienti e terremoti

Le placche hanno velocità propria in funzione del gradiente di viscosità e quindi di scollamento alla base della litosfera, all’interfaccia con l’astenosfera. Di conseguenza, i gradienti di velocità tra le placche creano ai loro margini dei gradienti di pressione che crescono nel tempo e nella parte fredda e fragile della litosfera producono terremoti. Il terremoto è dunque il risultato di una ‘cascata’ di gradienti, di composizione geochimica, di temperatura, di viscosità, di velocità e infine di pressione. Ci sono terremoti e terremoti (si veda l’articolo Una nuova idea sui terremoti su Le Scienze del 2014): infatti ogni terremoto ha in comune con gli altri eventi sismici il rilascio di onde elastiche, ma i terremoti sono liberazione di energia accumulata in modo diverso. Negli ambienti compressivi e trascorrenti il terremoto rappresenta il rilascio di energia elastica accumulata nel volume crostale dove è presente il gradiente di velocità, mentre negli ambienti estensionali è la liberazione di energia gravitazionale. Negli ambienti compressivi la crosta si muove contro la forza di gravità, mentre negli ambienti estensionali si muove a favore della gravità: questo spiega, per esempio, perché le repliche successive a un evento estensionale sono in numero maggiore e durano per un periodo più lungo rispetto agli altri ambienti tettonici, perché il volume crostale continua a muoversi verso il basso finché non ha raggiunto il suo nuovo equilibrio gravitazionale.  Si è inoltre visto come i volumi che collassano durante un terremoto siano fino a 10 volte più grandi di quelli che si rialzano nelle aree adiacenti: questo sbilancio di volume indica necessariamente che in profondità vi debbano essere delle masse caratterizzate da migliaia di microfratture, verosimilmente millimetriche, in grado di assorbire i volumi extra. Queste masse devono essersi dilatate durante il periodo intersismico preparatorio al terremoto. La presenza di microfratture determina la possibilità di accogliere fluidi e quindi abbiamo la possibilità di riconoscere queste fasce anomale perché devono essere caratterizzate da un gradiente minore di resistività per la presenza di fluidi, divenendo potenziali indicatrici di dove avverranno i prossimi terremoti.

A parità di ambiente tettonico (estensionale, transtensivo, trascorrente, transpressivo e compressivo) e a parità di tassi di movimento relativo registrabili per esempio tramite la rete GPS, si nota che i terremoti maggiori si generano dove il rateo di movimento è relativamente minore e in prossimità di un gradiente di velocità: ciò ha una sua logica perché significa che in quei volumi che si muovono più lentamente si sta accumulando maggiore energia potenziale (elastica o gravitazionale). Abbiamo così un elemento diagnostico per interpretare le aree dove ci attendiamo i terremoti più energetici in futuro e, paradossalmente questi dovrebbero esplicitarsi dove le velocità tra tetto e letto di una faglia sono relativamente minori della media regionale.

La lunghezza del giorno (LOD, length of the day) varia continuamente: pochi decimi di millisecondi, ma si creano dei gradienti in cui la Terra accelera o decelera. Durante i periodi in cui la Terra decelera che possono durare circa 15 anni, si nota che il numero dei terremoti più energetici (oltre magnitudo 6.9) aumentano. Viceversa diminuiscono quando la Terra ruota più velocemente. Queste osservazioni sono in accordo con una maggiore frizione mareale che rallenta il pianeta e che genera maggiore sismicità.

 

Gradiente vita e intelligenza

Per quasi 4 miliardi di anni, la Terra non ha avuto forme di intelligenza come le conosciamo noi, cioè un organismo dotato di cervello in grado di elaborare i dati provenienti dall’ambiente circostante. Per miliardi di anni la Terra è stata popolata per lo più da batteri, prima unicellulari e poi pluricellulari da oltre 1 miliardo di anni, ma è solo negli ulti 600 milioni di anni che la vita ha cominciato a evolversi in organismi sempre più complessi, con famiglie, generi e specie animali e vegetali via via più numerosi e diversificati. Un gradiente essenziale nella storia della Terra è stato quello del rapido aumento dell’ossigeno in atmosfera circa 2,2 miliardi di anni fa, trasformandola da ambiente riducente a ossidante. La vita, nelle sue forme più primitive aveva potuto svilupparsi in mare, dove l’acqua faceva da schermo alle radiazioni ionizzanti provenienti dal Sole. Rispetto all’inizio della formazione della stella e del sistema solare 4,5 miliardi di anni fa, l’entità di radiazioni è diminuita di circa 1000 volte. Il gradiente è dunque diminuito moltissimo. La luminosità solare è invece aumentata. Nel frattempo però, il gradiente termico tra la Terra che ai suoi inizi era una sfera caldissima e lo spazio freddo interplanetario, ha fatto sì che il nostro pianeta si raffreddasse. La Terra ha un nucleo solido che va da 5100 km fino al centro del pianeta a 6371 km. Questo nucleo solido, secondo i calcoli basati sulla pressione, temperatura e composizione chimica di ferro e nichel, fino ad almeno 2,5 miliardi di anni fa non esisteva perché la Terra era ancora troppo calda. Secondo alcuni ricercatori, il nucleo solido si sarebbe formato solo da meno di 1 miliardo di anni. Il nucleo interno ruota più velocemente del nucleo esterno liquido che va da 2900 a 5100 km di profondità. Questa rotazione differenziale tra corpi metallici contribuisce alla generazione del campo dipolare del campo magnetico terrestre, che a sua volta funge da schermo protettivo per l’atmosfera che a sua volta ci scherma dalle radiazioni ionizzanti. Una serie di gradienti che nel tempo hanno permesso alla vita di uscire dal mare e popolare le terre emerse dal Cambriano (541 milioni di anni) a oggi. Da allora, gli organismi hanno accresciuto sempre più le proprie capacità intellettive fino alla nostra specie, aumentando il gradiente cognitivo.

Un flusso di corrente elettrica genera un campo magnetico, come codificato dalle leggi di Maxwell. Più è forte il gradiente elettrico e più ampio ed energetico è il campo magnetico. Un gradiente del campo magnetico è una variazione del campo magnetico rispetto a una data posizione.

La forza generata da un gradiente magnetico può influire anche sull’evoluzione cellulare, per esempio quando vi è applicato anche un momento torcente diamagnetico. La temperatura influisce sensibilmente sullo sviluppo della vita: le aree più calde della terra a basse latitudini hanno una biodiversità di gran lunga maggiore rispetto a quelle polari, cioè il gradiente termico controlla il numero di specie viventi. Potremmo immaginare anche un numero della vita, cioè un’equazione adimensionale che contenga tutti i parametri entro i quali la vita può o meno svilupparsi, poco o molto: parametri a favore dello sviluppo e parametri contrari, come temperatura, pressione, contenuto chimico specifico con carbonio e abbondanza di ossigeno e idrogeno, una determinata forza di gravità né troppo piccola, né troppo grande, una rialimentazione permanente dell’atmosfera da parte del vulcanismo terrestre e dell’azione ossidante della massa vegetale, ecc., tutti parametri che hanno un range entro il quale la vita può crescere o non esistere. Senza la tettonica delle placche non avremmo l’atmosfera e quindi la vita, così come senza il campo magnetico generato dai moti relativi interni al nucleo esterno fluido di ferro e nichel in convezione e il nucleo interno solido, l’atmosfera terrestre sarebbe molto probabilmente spazzata via dal vento solare, come è avvenuto su Marte. Il campo magnetico quindi è un ingrediente indispensabile per la vita perché protegge l’atmosfera che, a sua volta, assieme anche al campo magnetico stesso ci protegge dalle radiazioni ionizzanti provenienti dal sole. Dallo zero termico a -273°C ai milioni di gradi all’interno di una stella, la vita che conosciamo noi può svilupparsi in una finestra piccolissima, tra circa -20 e +120°C, oltre un centinaio di gradi, alle cui temperature estreme possono vivere solo organismi particolari, mentre il range entro cui vi è la stragrande maggioranza delle specie ha una finestra più ristretta di circa 50-60°.

Da un pianeta senza nessuna forma di ragionamento ed elaborazione dei dati, il sistema si è trasformato in una sorta di organismo pensante, dove l’”organismo” è la rete neurale data dall’attività cerebrale di tutti noi. Un pianeta Gaia in evoluzione permanente, dove, con un susseguirsi di gradienti, si sviluppano sistemi sempre più complessi. Un genio rappresenta un gradiente di capacità cognitiva ed è in grado di alzare le conoscenze anche di coloro che non avevano raggiunto i suoi apici, come due corpi ravvicinati, uno caldo e l’altro freddo, mediano il calore, così un cervello in grado di elaborare le informazioni meglio degli altri, può alzare la conoscenza di coloro che non avevano tale intelligenza. Darwin e Einstein ci hanno fatto leggere il mondo con una nuova percezione della realtà, prima sconosciuta e hanno aumentato il gradiente di conoscenza a livello mondiale, come un salto quantico, un aumento dello stato energetico degli elettroni a un livello più esterno. Dal deserto dell’intelligenza, a un mondo con capacità di elaborazione dei dati del mondo circostante: è stata un’enorme e costante crescita del gradiente cognitivo, quanto mai positiva.

Una cellula si sviluppa per gradienti di ioni idrogeno che permettono di generare l’adenositrifosfato, chiamato moneta energetica di scambio. Così una membrana cellulare permette per esempio lo scambio di ioni sodio, cloro e potassio in funzione del gradiente della loro concentrazione tra l’interno e l’esterno, gradienti che tendono ad annullare la differenza, uscendo o penetrando nella cellula a generare proteine.

Il genere Homo pare aver fatto la sua comparsa circa 2,5 milioni di anni fa, mentre l’Homo sapiens sembra aver iniziato a svilupparsi solo da circa 300.000 anni. Con lo sviluppo dell’agricoltura, la popolazione umana è progressivamente cresciuta e si stima che fino a 1000 anni fa il numero di esseri umani era al massimo di qualche centinaio di milioni, mentre solo nell’ultimo secolo si è triplicato, superando i 7 miliardi. La storia della vita sulla Terra ci fa vedere che le specie che hanno un’improvvisa esplosione demografica sono prossime alla loro estinzione: stiamo dunque assistendo a un gradiente demografico esplosivo che non viene adeguatamente studiato in termini di sostenibilità delle risorse naturali e controllato per tutti i risvolti socio-economici. Più aumenta la popolazione, maggiore è la richiesta di energia per le coltivazioni, per la mobilità degli individui e delle merci, per la produzione di energia elettrica, per la climatizzazione degli edifici. Lo sviluppo industriale e l’utilizzo dei combustibili fossili ha portato nel 2018 la concentrazione del gas serra CO2 in atmosfera a valori superiori alle 400 parti per milione, contro le 280 di pochi decenni fa. Valori così alti non si registravano da alcune decine di milioni di anni e il gradiente della CO2 sta contribuendo all’aumento della temperatura media del globo, con le conseguenze devastanti che conosciamo: clima con estremi violenti, siccità e alluvioni, innalzamento del livello del mare ipotizzato di quasi un metro nei prossimi 100 anni. E’ un gradiente che l’uomo ha generato in tempi semi istantanei se confrontato con i tempi geologici e in grado di generare un mutamento climatico rapidissimo.

Giacomo Rizzolatti ha scoperto i neuroni specchio: il nostro cervello attiva una rete neurale in cui si attivano determinati neuroni quando proviamo un’emozione che ci fa immedesimare nella persona o evento cui stiamo assistendo. Perché ci emozioniamo tanto per terremoto che avviene in Italia, come per esempio quello del 2016 di Amatrice-Norcia con circa 300 vittime, ma la notizia del terremoto del 2010 a Haiti con 230.000 vittime è rimasto nelle cronache e nei nostri pensieri con un coinvolgimento così ridotto rispetto alle dimensioni della tragedia immane? Probabilmente proprio perché il nostro grado di immedesimazione negli sfortunati abitanti dell’isola è stato molto basso, non si è cioè creato quel gradiente emotivo che generano i neuroni specchio, tale da eccitare il nostro coinvolgimento. Potremmo fare lo stesso confronto tra la strage al Bataclan di Parigi e uno degli innumerevoli attentati che avvengono in medio-oriente con grande frequenza: nel primo immaginiamo di aver potuto essere stati noi o i nostri cari in quella sala a Parigi, mentre il nostro cervello elabora a un livello di immedesimazione molto inferiore un attentato in un paese lontano e quindi il gradiente emotivo rimane molto più basso.

Se mi trovo in cima a un grattacielo ho un gradiente di energia potenziale gravitazionale; posso decidere di azzerare il gradiente in due modi, cioè scendendo lentamente le scale o prendendo l’ascensore, oppure lanciarmi nel vuoto. In entrambi i casi annullo il gradiente, ma il risultato è ovviamente molto diverso, cioè l’energia disponibile può essere spesa gradualmente in modo utile e innocuo, oppure dissipata violentemente in modo disastroso, almeno in questo caso. Cioè il gradiente può essere considerato come un’energia a disposizione che può essere utilizzata in modo diverso a seconda del caso. I gradienti, per essere utilizzati a fini energetici, devono infatti essere i più circoscritti e concentrati possibile. Per questo le maree, sia solide che liquide che dissipano una grande energia ogni giorno sono di limitato utilizzo proprio perché il gradiente che generano è diffuso su migliaia di km.

Per esempio una centrale idroelettrica funziona proprio perché il gradiente gravitazionale viene consumato in modo rapido, concentrando l’energia in una caduta repentina dell’acqua dalla diga che fa girare le turbine. E’ un tipo di gradiente che possiamo definire “positivo” perché produce energia utile e rinnovabile. Un esempio è il gradiente di temperatura nel sottosuolo che permette la generazione di una centrale geotermica che funziona tramite il moto di turbine attivate da vapori a temperatura anche di oltre 200°C: la coltivazione di energia dal sottosuolo riesce a produrre energia elettrica o a generare calore con il teleriscaldamento. L’Italia è stata pionieristica in questo settore con i campi geotermici toscani nell’area di Larderello dove si producono quasi 1000 MWatt, l’equivalente di un reattore nucleare. Attualmente vi sono nuove generazioni di impianti a circuito chiuso che non emettono sostanze nocive in atmosfera e rappresentano una potenziale e importante fonte di energia pulita. Le centrali atomiche utilizzano la fissione nucleare, che è il prodotto di un gradiente, per generare calore: riscaldando acqua e producendo vapore vengono attivate le turbine che a loro volta trasformano la rotazione in energia elettrica. Tutto in accordo con il primo principio della termodinamica: l’energia non si crea né si distrugge, ma si trasforma.

Vi sono nazioni dove vi è una grande concentrazione di materie prime o di giacimenti di idrocarburi che però non sono i maggiori consumatori degli stessi, come per esempio il medio oriente: questi gradienti determinano i mercati, la migrazione delle merci e delle risorse energetiche. Tali gradienti controllano buona parte dei rapporti tra le nazioni.

Un gradiente “negativo” è quello che si genera per esempio tra due popolazioni che per ragioni culturali o economiche non riescono più a parlarsi fino ad arrivare all’odio reciproco, che può esplodere in una guerra: la diplomazia ha proprio il compito di smussare gradualmente questo tipo di gradienti ed evitare l’evoluzione disastrosa in un conflitto bellico. Un gradiente culturale “negativo” non è da confondere con le differenze di tradizioni, storia e lingua tra comunità o nazioni, tutte considerabili ricchezze da tutelare.

Il gradiente socio-economico si è dimostrato come fattore fondamentale nell’incidenza di determinate patologie, dove in genere sono le nazioni più ricche a soffrire minori patologie, dal diabete alle epatiti, ecc. In particolare, c’è una diretta correlazione tra le nazioni che hanno maggiore disponibilità di acqua potabile e l’aspettativa di vita. Per esempio, i paesi più poveri si vive di meno rispetto a quelli più ricchi e questo gradiente comporta necessariamente un tentativo di migliorare le proprie condizioni economiche. Depressione post-parto o sviluppo di diabete sono maggiori dove il reddito medio pro-capite è inferiore. C’è un gradiente ‘sanitario’ tra i ricchi e i poveri, sia all’interno delle nazioni in funzione dello stato sociale, sia tra nazioni diverse. L’aumento del gradiente della salute genera un rischio maggiore per la salute dei cittadini che, secondo la World Health Organization, è la somma del rischio ambientale, della mancanza di istruzione, della qualità e quantità di cibo disponibile, della mancanza di lavoro, abitazioni e redditi poveri. L’attenzione per i più deboli e poveri diminuisce il gradiente sociale interno a una nazione e tende a raffreddare le tensioni politiche di uno stato. Tuttavia sono ancora molto frequenti le differenze di salario tra amministratore di un’industria e operaio, un gradiente che diventa imbarazzante e generatore di tensioni sociali e comprensibili rivendicazioni sindacali quando questo rapporto supera addirittura 100.

La crescita demografica che in Africa dal 1950 al 2050 è prevista del 73%, in Europa è solamente dell’11%, a testimoniare come notoriamente la crescita economica comporti una minore crescita demografica. L’accoppiamento tra sovrappopolazione e povertà con l’opposto, genera il gradiente che regola in questi decenni la migrazione delle popolazioni dall’Africa all’Europa.

In sostanza, non c’è fenomeno sulla Terra fisica e probabilmente anche nei rapporti tra gli esseri viventi, che non sia innescato da una qualche forma di gradiente. La vita ha avuto una sua evoluzione descritta da Lamarck e Darwin, passando da forme unicellulari molto semplici a organismi pluricellulari incredibilmente sempre più complessi: probabilmente non c’è nulla nell’universo che abbia una funzionalità cognitiva e una rete così complicata e sofisticata come il nostro cervello: ci stiamo muovendo verso forme di vita sempre più articolate. E’ stata dimostrata anche un’evoluzione della componente inorganica: per esempio all’inizio della formazione della Terra esistevano al massimo alcune decine di aggregazioni di elementi chimici e quindi di minerali. Nel corso dei 4,5 miliardi di anni, gli elementi si sono combinati in modo sempre più diversificato, arrivando a generare oltre 5000 specie di minerali. La concentrazione di determinati elementi nella crosta può essere il prodotto di gradienti composizionali e di carica elettrochimica. Lo stesso vale per concentrazioni di minerali che possono essere legati anche all’accumulo di fluidi in un dato volume crostale.

La natura esprime dunque la sua forza per la presenza di gradienti che lei stessa genera, ottemperando al secondo principio della termodinamica che l’entropia dell’universo aumenta.