I materiali della Terra solida Alfonso Bosellini I materiali della Terra solida

Capitolo 1 La Terra: uno sguardo introduttivo Lezione 2 La formazione della Terra e la sua evoluzione primordiale

1.4 La Terra primordiale Circa 4,6 miliardi di anni fa una densa nebulosa, molto fredda e in lenta rotazione, costituita da polveri e gas, iniziò a contrarsi. Nebulosa 1

1.4 La Terra primordiale La materia si concentrò nella zona centrale, dove si formò il protosole, attorno al quale le polveri e i gas residui si disposero a formare un disco in rotazione. Protosole 2 1

1.4 La Terra primordiale Nella parte più esterna del disco, i gas e le polveri originarono granuli che collidendo si aggregarono in piccoli agglomerati, i planetesimi. Protosole 2 Planetesimo 3 1

1.4 La Terra primordiale Dalle ripetute collisioni dei planetesimi si originarono i pianeti terrestri; dalla concentrazione dei gas si originarono i pianeti gioviani e si strutturò il sistema solare. 2 Sole Pianeta 3 1 Sistema solare 4

1.4 La Terra primordiale La Terra si formò per aggregazione di planetesimi, per effetto dell’attrazione gravitazionale. 1 2 3 4

1.4 La Terra primordiale Circa 4,5 miliardi di anni fa la Terra entrò in collisione con un corpo celeste delle dimensioni di Marte. L’impatto scagliò nello spazio uno sciame di frammenti, dalla cui aggregazione si formò la Luna.

1.4 La Terra primordiale La pioggia ininterrotta di planetesimi continuò a colpire i vari corpi celesti fino a 3,8 miliardi di anni fa, distruggendo ogni traccia di crosta primitiva sulla Terra. La datazione radiometrica (o radiodatazione) è uno dei metodi utilizzati per determinare l’età di un reperto antico. Essa si basa sul raffronto tra la quantità di un dato isotopo radioattivo e la quantità dei suoi prodotti di decadimento. Per questa ragione sulla Terra non si conoscono rocce con più di 3,8÷4,2 miliardi di anni.

Sorgenti di calore nella Terra Conversione dell’energia cinetica in energia termica Trasformazione in calore dell’energia cinetica dei meteoriti che colpivano la Terra Conversione dell’energia gravitazionale in energia termica. Durante la “catastrofe del Ferro” e lo spostamento dei silicati più leggeri verso il mantello e la crosta si liberò una gran quantità di energia gravitazionale che si trasformò in calore. Riscaldamento adiabatico Progressivo aumento di massa del pianeta con conseuente aumento della pressione e quindi della temperatura Radioattività di isotopi a vita breve Calore prodotto inizialmente dal decadimento di elementi radioattivi con tempi di dimezzamento brevi Radioattività di isotopi a lunga vita Calore prodotto e che si stà ancora producendo da parte di minerali radioattivi concentrati principalmente nelle rocce granitiche della crosta I primi tre fenomeni da soli possono aver portato la temperatura interna del pianeta a 1000 °C.

1.5 «Catastrofe del ferro» e differenziazione L’aumento della temperatura portò alla fusione del ferro che, a causa della sua elevata densità, sprofondò verso il centro della Terra (catastrofe del ferro). Materiali più leggeri Ferro Questo fenomeno liberò energia gravitazionale, con conseguente fusione di larga parte del pianeta e successivo processo di differenziazione gravitativa.

La Terra si stratificò diventando un pianeta «zonato». 1.5 «Catastrofe del ferro» e differenziazione La Terra si stratificò diventando un pianeta «zonato». I materiali più leggeri migrarono verso l’esterno e formarono la crosta primitiva. Crosta (0÷40 km) Un terzo della massa primordiale della Terra si addensò al centro e costituì un nucleo a base di ferro. Nucleo esterno di ferro fuso (2890÷5150 km) Nucleo interno di ferro solido (5150÷6370 km) Tra crosta e nucleo si collocarono materiali con caratteristiche intermedie che originarono il mantello. Mantello (40÷2890 km)

1.6 Zonazione chimica della Terra Il 90 % del pianeta Terra nel suo insieme è formato da soli quattro elementi: ferro, ossigeno, silicio e magnesio.

1.6 Zonazione chimica della Terra Ossigeno, silicio e alluminio, invece, formano da soli l’80% della crosta terrestre.

1.6 Zonazione chimica della Terra La zonazione chimica verticale dei vari elementi non fu dovuta al loro diverso peso specifico. Fu determinata dalle proprietà fisiche e chimiche (punto di fusione, densità etc) dei minerali che gli elementi andarono a formare: nella crosta i feldspati, così come uranio e torio sotto forma di ossidi e di silicati; • nel mantello, silicati di ferro e di magnesio; • nel nucleo, oro e platino, che hanno poca affinità con ossigeno e silicio. •

1.6 Zonazione chimica della Terra Il calore radioattivo fu facilmente disperso nell’atmosfera, perché i materiali radioattivi si erano concentrati nel guscio esterno. Anche il nuovo meccanismo della convezione contribuì a trasferire il calore verso la superficie. L’aumento della temperatura interna della Terra rallentò molto e il pianeta poté raffreddarsi in tempi relativamente brevi. La convezione è un mezzo efficace e rapido di distribuzione del calore. Essa è dovuta al fatto che, se riscaldiamo un fluido (gas o liquido), esso si espande divenendo meno denso, quindi più leggero del materiale circostante. Il fluido riscaldato tende a salire, mentre il materiale più freddo e più pesante scende a prenderne il posto. Si instaura così un CICLO CONVETTIVO e si forma una CELLA CONVETTIVA.

1.7 Atmosfera, idrosfera e crosta primitive Le continue eruzioni vulcaniche liberarono grandi quantità di gas, principalmente idrogeno, vapore acqueo, azoto e diossido di carbonio. L’idrogeno, molto leggero, sfuggì nello spazio, mentre i gas più pesanti avvolsero la Terra, andando a formare l’atmosfera primordiale.

Si formarono i primi oceani e si formò l’idrosfera primordiale. 1.7 Atmosfera, idrosfera e crosta primitive Quando la temperatura superficiale scese sotto il punto critico dell’acqua, il vapore acqueo iniziò a condensare e a riempire le parti depresse della superficie terrestre. Si formarono i primi oceani e si formò l’idrosfera primordiale.

1.7 Atmosfera, idrosfera e crosta primitive Si ritiene che i materiali che costituiscono la crosta si siano formati gradualmente attraverso vari processi: emissioni di lava, seguite da rifusione parziale delle rocce appena consolidate; • degradazione per opera degli agenti atmosferici, con formazione di un primitivo regolite; • riassorbimento e riciclo dei sedimenti all’interno della Terra per opera di processi vulcanici e tettonici. •

1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» L’insieme delle diverse parti del nostro pianeta e le loro reciproche interazioni costituiscono il sistema Terra. La Terra può essere idealmente suddivisa in «sfere», in base alla densità dei materiali che la costituiscono. Atmosfera Biosfera Idrosfera Litosfera

1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» L’idrosfera è la componente liquida della Terra e comprende le acque dei mari e quelle continentali, fiumi, laghi e ghiacciai.

1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» L’atmosfera è la componente gassosa della Terra ed è costituita dall’aria, che avvolge tutto il pianeta.

1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» La litosfera è la componente solida superficiale ed è costituita dalle rocce.

1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» La biosfera, comprende gli organismi viventi e l’ambiente con cui questi interagiscono.

Vi sono due diversi criteri di suddivisione della Terra solida. 1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» Vi sono due diversi criteri di suddivisione della Terra solida. Criterio chimico-mineralogico Criterio basato sullo stato fisico dei materiali

1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» Il sistema Terra è caratterizzato da complesse relazioni tra le diverse «sfere» che avvengono con scambi di materia e di energia. Questi processi sono attivati e sostenuti dal calore interno della Terra e dall’energia solare che arriva alla sua superficie. Il calore interno favorisce i processi endogeni (movimenti nel mantello, nel nucleo, fusione delle rocce, formazione di catene montuose, ecc.). L’energia solare favorisce i processi esogeni (movimenti di fluidi, passaggi di stato, tempo atmosferico, clima, modellamento superficiale, ecc.).

1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» Il sistema Terra può essere suddiviso in 3 sottosistemi, o geosistemi, che operano su scala globale:

1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» Il sistema clima coinvolge tutte le componenti del sistema Terra; le loro interazioni concorrono a determinare il clima su scala globale e le sue variazioni nel tempo. Il clima non esprime soltanto il comportamento dell’atmosfera, ma è influenzato anche dai molteplici processi che coinvolgono l’idrosfera, la litosfera e la biosfera. Il sistema tettonica delle placche è attivato dal calore interno della Terra. Esso si compie attraverso flussi di materia e di energia (moti convettivi) tra mantello profondo, astenosfera e litosfera. Il ciclo delle rocce, le deformazioni alle quali sono sottoposti i materiali litosferici, i terremoti, le eruzioni vulcaniche, la formazione degli oceani e delle catene montuose sono tutte conseguenze delle interazioni tra le varie componenti della Terra solida. Il sistema geodinamo, responsabile dell’esistenza del campo magnetico terrestre, ha origine profonda, ma è in grado di interagire con le componenti più esterne del sistema Terra, come la biosfera e l’atmosfera.