Struttura interna e caratteristiche fisiche LA TERRA Struttura interna e caratteristiche fisiche

STUDIO DELLA STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA Lo studio della struttura interna della terra è particolarmente complesso. La scienza che studia questi fenomeni è la geofisica o fisica della terra. E’ una scienza relativamente molto giovane che si basa sulle proprietà globali e sulle le teorie fisiche per spiegare i fenomeni interni della terra, non potendoli studiare attraverso metodi diretti: Dati forniti dallo studio delle caratteristiche fisiche della terra Dati forniti dallo studio dei meteoriti Dati forniti dallo studio di onde sismiche

DATI FORNITI DALLE CARATTERISTICHE FISICHE DELLA TERRA Vengono utilizzate nozioni relative alla densità e altre proprietà fisiche dei materiali, per formulare ipotesi sulla costituzione chimica e mineralogia e sulla situazione termica degli strati che non possiamo osservare direttamente. La densità è la nozione più importante ed è il rapporto tra la massa di 1 corpo e il volume che occupa( d = m/v ).

DATI FORNITI DALLO STUDIO DELLE METEORITI Gli studiosi hanno sempre cercato di capire quali fossero i materiali presenti all’interno della terra; questi come abbiamo già visto dovrebbero avere densità molto elevata infatti per quanto possano comprimersi i materiali a base di silice sotto l’effetto della forte pressione all’interno della terra essi non potranno mai avere densità tanto elevata da arrivare a circa 13g/cm3. Per questo si è pensato che negli strati prossimi al nucleo ci possa essere la presenza di metalli. Tale ipotesi è conformata dallo studio delle meteoriti: infatti in molte di esse è presente un’abbondante percentuale di ferro e nichel e ciò significa che questi materiali erano presenti nella regione del sistema solare in cui si è formato il nostro pianeta.

DATI FORNITI DALLO STUDIO DELLE ONDE SISMICHE I dati più importanti sono forniti dalle onde sismiche . Tramite lo studio dell’andamento delle onde P e delle onde S si può capire quali materiali esse attraversino. A tale scopo bisogna determinare la velocità di queste onde e stabilire se ci sono state deviazioni dovute alla presenza di superfici di discontinuità. Per quanto riguardo la velocità, sappiamo che i materiali rigidi e compatti trasmettono più velocemente rispetto a materiali molli e incoerenti. Mentre nei fluidi le onde P rallentano, e le onde S vengono completamente fermate, se il mezzo attraversato dalle onde è omogeneo, esse procedono in linea retta, mentre se il mezzo attraversato cambia improvvisamente le caratteristiche fisiche, le onde vengono rifratte o riflesse secondo le leggi dell’ottica geometrica. Sono state scoperte delle superfici di discontinuità che separano due mezzi con caratteristiche chimiche e fisiche molto differenti.

La variazione della velocità delle onde sismiche P e S attraverso la terra ha consentito di riconoscere le principali discontinuità del suo interno

Nell’ordine dalla crosta al nucleo la terra è così strutturata: Discontinuità di Mohorovicic o Moho Mantello Discontinuità di Gutenberg Nucleo esterno Discontinuità di Lehmann Nucleo interno

Crosta La crosta, in geologia e in geofisica, è uno degli involucri concentrici in cui è suddivisa la Terra: per la precisione si intende lo strato più esterno della Terra solida, con uno spessore variabile dai 5 ai 35 chilometri. Il limite superiore è dato dalla superficie di contatto tra la geosfera e l'atmosfera o l'idrosfera. Esistono due tipi di crosta: Crosta continentale: ha una densità media di 2,7 g/cm3.E’ una struttura variabile composta principalmente da rocce sialiche (alta percentuale di silicio) ricoperte da una coltre di sedimenti. Le rocce presenti sono eterogenee: magmatiche, sedimentarie e metamorfiche. La crosta continentale ha una storia lunghissima e travagliata testimoniato dalla presenza di catene montuose, di faglie, di vulcani . Crosta oceanica: è sommersa dall’acqua degli oceani e ha uno spessore di pochi km. Ha una densità media di 3g/cm3. La struttura è regolare in quanto costituita ovunque da tre strati sovrapposti: sedimenti, basalti, gabbri. Quindi ha una composizione più femica rispetto alla crosta continentale.

Discontinuità di Moho Nel 1909, il geofisico croato Andija Mohorovičić (1857 - 1936), analizzando il terremoto di Pokuplje (valle di Kupa) dell'8 ottobre, individuò particolari arrivi di onde sismiche che potevano essere spiegati solo con un brusco aumento di densità ad una profondità di una quarantina di chilometri. L'aumento di densità (e il susseguente aumento di velocità) venne spiegato con una variazione di composizione al passaggio tra crosta e mantello; la discontinuità prese il nome di superficie di Mohorovičić, in breve Moho.Sotto le catene montuose la Moho può raggiungere la profondità di 60-70 km. Sotto gli oceani è intorno ai 10-20 km, ma arriva quasi a zero in corrispondenza delle dorsali oceaniche.

Mantello Compreso tra la crosta e il nucleo, il mantello ha uno spessore di circa 2900 km, rappresenta l’80% in volume dell’intero pianeta ed è costituito essenzialmente da rocce ultrafemiche di alta pressione ricche di ferro e di magnesio. La pressione al contatto mantello/nucleo esterno è pari a un milione e mezzo di atmosfere (140 GPa). Compreso fra due discontinuità è possibile suddividere ulteriormente il mantello in due strati distinti, sempre in funzione della velocità di propagazione delle onde sismiche: il mantello superiore, di circa 700 km di spessore trasmette le onde sismiche a velocità ridotte rispetto al mantello inferiore o mesosfera, di oltre 2000 km. Il Mantello superiore consta a sua volta di due parti distinte: il mantello litosferico che, insieme alla crosta sovrastante, costituisce la litosfera, e quella inferiore, comunemente detto astenosfera.La litosfera è rigida ed elastica con spessore diverso in corrispondenza delle aree continentali e oceaniche, mentre l'astenosfera si trova in uno stato di fusione parziale(strato plastico) probabilmente a causa della presenza, insieme al solido, di una piccola percentuale di materiale fuso. (vedi immagine)

Discontinuità di Gutenberg La discontinuità di Gutenberg è la superficie sferica di separazione tra il mantello e il nucleo esterno. In corrispondenza di questa discontinuità la velocità delle onde P diminuisce sensibilmente, mentre le onde S vengono fermate completamente ( proprietà onde S e P ). Per spiegare quanto detto si è ipotizzato quindi che al di là della discontinuità di Gutenberg il materiale sia allo stato fuso.

Nucleo Il nucleo ha un raggio che è la metà del raggio terrestre e costituisce più del 14% del volume totale della terra. Ha una densità che va dai 9,7 ai 13g/cm3. Le teorie sulla composizione e struttura del nucleo sono solo congetture.Possiamo suddividere il nucleo in esterno ed interno. Nucleo esterno: si comporta come un fluido; si ritiene sia costituito prevalentemente da ferro e nichel, e altri elementi più leggeri come silicio e zolfo; ha uno spessore di circa 2270 Km. Nucleo interno: si ritiene sia costituito essenzialmente da nichel e ferro e nonostante abbia una temperatura prossima al punto di fusione, grazie all’elevatissima pressione di fronte a sollecitazioni improvvise si comporta come un solido. Questi sono divisi da una superficie detta discontinuità di Lehmann. Fu scoperta negli anni sessanta osservando che le onde P che attraversano il nucleo in parte vengono riflesse in parte rifratte, subendo una brusca accelerazione.

Temperatura Si è presupposto che la temperatura all’interno della terra cresca considerevolmente procedendo verso il centro di essa. A partira da una profondità di 15-30 m la temperatura aumenta di circa 3°C ogni 100 m di profondità. Questo aumento di temperatura in funzione della profondità prende nome di gradiente geotermico. Il valore del gradiente geotermico non è costante: infatti se lo fosse la temperatura al centro della terra dovrebbe essere di circa 200000°C. La terra dovrebbe perciò essere per lo più allo stato fuso ma ciò è in contrasto con i rilevamenti dei sismografi. La temperatura della terra nel nucleo è stimata invece intorno ai 4000C°-4500C°. Che l’interno della terra sia più caldo della superficie è confermata da numerosi dati sperimentali. Un dato in particolare viene considerato significativo: la terra emette nello spazio più calore di quanto ne riceva complessivamente dal sole. La quantità di calore emessa da un’unità di superficie in un secondo è chiamata flusso geotermico. In media esso è di circa 1,5 cal/cm3/s ma non è costante in quanto è molto più elevato nei territori di nuova formazione o sulle dorsali oceaniche rispetto ai territori di antica formazione e nelle fosse oceaniche.

Diagrammi illustrativi della variazione della temperatura, pressione e densità in relazione alla profondità della terra

Il calore interno della terra Il calore interno della terra si può originare in due modi: ENERGIA GRAVITAZIONALE (CALORE PRIMORDIALE) Durante gli stadi iniziali della formazione della terra si è sviluppata un’enorme quantità di energia che ha portato alla fusione dei materiali presenti. Una volta raffreddati, la terra, ha assunto lo stato solido, conservando dentro di sé una parte del calore primordiale. RADIOATTIVITA’ NATURALE (CALORE DELLE ROCCE RADIOATTIVE) Tra gli elementi presenti nelle rocce si trova sempre una piccola quantità di Isotopi radioattivi con un periodo di semivita molto lungo. l loro decadimento radioattivo produce energia dissipata all’esterno sotto forma di calore.

Calore derivato per radioattività ROCCE DELLA CROSTA (30-35% del flusso totale) Importante soprattutto nelle aree continentali dove elementi come uranio, potassio e torio si trovano facilmente. ROCCE DEL MANTELLO Sono numericamente minori ma data la massa molto grande del mantello, viene prodotta una quantità di calore elevata, che viene rilasciata specialmente sui fondali oceanici.

Trasmissione del calore dal mantello alla litosfera Principalmente il calore dal mantello alla litosfera viene trasmesso per CONVEZIONE, anche se in minima parte vengono utilizzati anche i meccanismi di conduzione e irragiamento. La CONVEZIONE è un fenomeno tipico dei fluidi posti a contatto con una sorgente di calore che li riscalda in modo non uniforme. Il fluido quindi aumenta di temperatura, si espande e riduce la sua densità. Di conseguenza tende a salire, spostando lateralmente il materiale piu freddo e denso che invece tende a scendere: si formano così delle CORRENTI ASCENDENTI e delle CORRENTI DISCENDENTI. Questo fenomeno di convezione, nel mantello, fa si che i volumi dei materiali riscaldati generino lente correnti ascendenti che raggiungono la litosfera. Il materiale caldo, una volta giunto sulla litosfera, verrebbe poi spinto lateralmente e raffreddato, aumentando di intensità. Anche se non esistono dati definitivi, si ritiene che le celle convettive siano la causa dei valori anomali del flusso geotermico registrato sui fondali.

Il campo magnetico terrestre Il campo magnetico terrestre può essere immaginato come una barra magnetica , dotata di due poli. Le linee di campo o di forza escono dal polo sud magnetico e rientrano nel polo nord magnetico ( sono zone definite della crosta terrestre e non coincidono con il nord e il sud geografico ). La regione in cui si risente dell’azione del campo del campo magnetico terrestre è detta magnetosfera. Essendo un campo ha una una direzione, un’intensità e un verso che possono essere misurate in ogni luogo della superficie terrestre. La direzione è il verso delle linee di campo possono essere determinate grazie all’utilizzo della bussola. L’intensità può essere rilevata con uno strumento molto sensibile chiamato il magnetometro. Sono state studiate delle variazioni dell’intensità e della direzione del campo magnetico: un esempio è l’inversione di polarità. Immagine 1 Immagine 2

Le rocce magnetiche e il paleomagnetismo Le rocce che contengono minerali ferromagnetici e alcuni tipi di rocce sedimentarie al momento della loro formazione vengono dotati di un campo magnetico indotto dal campo magnetico terrestre presente al momento.Questo campo rimane costante nel tempo indipendentemente dalla induzione di altri campi magnetici esterni di creazione postuma.Il minerale perde la sua magnetizzazione permanete solo se la sua temperatura sale sopra il punto di Curie. La magnetizzazione permanente nelle rocce magmatiche è detta magnetizzazione termorimanente (TRM), quella delle rocce sedimentarie è detta magnetizzazione detritica rimanente (DRM). Questa magnetizzazione è permanente e per questo è detta paleomagnetismo(magnetismo fossile).Lo studio del paleomagnetismo è molto importante per risalire all’ètà delle rocce.Inoltre grazie a questo fenomeno si scoprirono le inversioni di polarità della terra.Ecco perché il campo magnetico terrestre non è costante in ogni punto della superficie della terra (anomalia magnetica).