La Terra La Terra fotografata dagli astronauti di Apollo. Le nuvole ci danno l’idea di un’atmosfera dinamica. E’ visibile il continente nordamericano tra le nuvole.

Da Bruce A. Bolt, L’interno della Terra. Zanichelli.

Da Bruce A. Bolt, L’interno della Terra. Zanichelli.

Da dove derivano le nostre conoscenze sull’interno della Terra?

Le perforazioni possono raggiungere profondità massime di 15 Km mentre il raggio terrestre è ben 6400 Km al di sotto dei nostri piedi.

In questo esperimento due raggi di luce laser entrano dall’alto di una boccia di vetro piena d’acqua. Entrambi i raggi vengono riflessi da uno specchio posto sul fondo della boccia, ma successivamente uno viene riflesso dall’interfaccia tra acqua e aria e passa attraverso il vetro, producendo un punto fortemente luminoso sul tavolo. La maggior parte dell’energia dell’altro raggio viene deviata (rifratta) quando passa dall’acqua all’aria, anche se una piccola parte viene riflessa e va a formare sul tavolo un secondo punto luminoso più piccolo Photograph courtesy of Susan Scwartzenberg/ The Exploratorium. Da Press, Siever, Grotzinger, Jordan, Capire la Terra, Zanichelli.

Onde elastiche Le onde elastiche si dividono in: Onde longitudinali o primarie P, in cui le particelle del mezzo vibrano per successive dilatazioni e compressioni che avvengono esclusivamente nella direzione di propagazione; Le onde trasversali o secondarie S, in cui le particelle del mezzo subiscono una distorsione, senza variazione di volume, oscillando su piani perpendicolari alla direzione di propagazione. Esse non si trasmettono nei mezzi fluidi. La Vp= 6.5 km/sec La Vs= 3 Km/sec, entrambe per il Granito

Distribuzione delle onde P attraverso l’interno della Terra Distribuzione delle onde P attraverso l’interno della Terra. Le linee blu tratteggiate mostrano l’avanzare dei fronti d’onda attraverso l’interno, a intervalli di 2 minuti. Le distanze sono misurate in distanze angolari dall’ipocentro del terremoto. La zona d’ombra delle onde P si estende da 105° a 142°. Le onde P non possono raggiungere la superficie in queste zone perché, lungo il percorso, vengono deviate all’entrata e all’uscita dal nucleo. La zona d’ombra delle onde S è più grande perché anche se esse colpiscono il nucleo, non possono attraversare la regione esterna fluida. Il limite mantello-nucleo esterno che è ubicato a 2900 Km è stato calcolato sulla base dell’ampiezza della zona d’ombra delle onde S.

Le onde P ed S si irradiano in tutte le direzioni dall’ipocentro di un terremoto. PcP ed ScS sono onde P ed S che vengono riflesse dalla superficie del nucleo, PP ed SS sono onde riflesse verso l’interno dall’interfaccia litosfera atmosfera. Un’onda PKP viene trasmessa attraverso il nucleo esterno liquido, mentre un’onda PKIKP attraversa anche il nucleo interno solido. Le onde superficiali si propagano lungo la superficie esterna della Terra. Da Press, Siever, Grotzinger, Jordan, Capire la Terra, Zanichelli.

La crosta Il mantello Il nucleo La geoterma Il flusso di calore Il CMT Il paleomagnetismo Isostasia

Struttura della litosfera Crosta oceanica: basalti e gabbri (Sima da Si e Mg per la predominanza di silicati magnesiferi, densità media superiore a 3 gr/cm3) Crosta continentale: maggiore varietà, prevalente composizione granitica (Sial da Si e Al per la predominanza di allumosilicati, densità media inferiore a 3 gr/cm3

Le onde sismiche permettono di individuare il limite tra crosta e mantello e di riconoscere variazioni di spessore della crosta. Da Press, Siever, Grotzinger, Jordan, Capire la Terra, Zanichelli.

Struttura della crosta oceanica Velocità delle onde P (km/s) Rocce sialiche tipiche della crosta continentale superiore (graniti: 6 Km/s) Rocce femiche, tipiche della crosta oceanica (gabbri: 7 Km/s) Rocce ultrafemiche, tipiche del mantello superiore (peridotiti, 8 Km/s)

Struttura della crosta oceanica

Il mantello Mantello terrestre

La struttura a strati della Terra messa in luce dalla sismologia La struttura a strati della Terra messa in luce dalla sismologia. Il diagramma in basso mostra i cambiamenti nelle velocità delle onde P ed S e della densità con l’aumentare della profondità all’interno della Terra. Il diagramma superiore è una sezione della Terra, che illustra come questi cambiamenti siano in relazione con i principali strati. Da Press, Siever, Grotzinger, Jordan, Capire la Terra, Zanichelli.

Tomografia sismica: una TAC dell’interno della Terra Hotter and Colder Regions of the Earth's Mantle and Crust Image courtesy of T. Tanimoto and Y. Zhang This three-dimensional tomographic view of the Earth's interior down to 255 mi (410 km) was constructed by comparing the differences in S wave velocities. Changes in the velocity of seismic waves within the Earth are controlled by changes in density. Because density is a function of temperature, changes in seismic wave velocity can be used to infer the thermal structure for the mantle and construct a possible pattern of convection in the mantle. The red blobs are regions of slower S waves, suggesting a hotter mantle, and the blue blobs are regions of faster S waves, suggesting a cooler mantle.

La struttura del mantello al di sotto di un antico fondale oceanico, con l’andamento della velocità delle onde S, fino a una profondità di 900 Km. I cambiamenti della velocità indicano la litosfera resistente, l’astenosfera duttile e le due zone in cui i cambiamenti di velocità avvengono perché l’aumento di pressione costringe gli atomi a riordinarsi in nuove strutture cristalline, più dense e più compatte (cambiamento di fase dell’olivina). Da D.P. McKenzie “Il mantello della Terra” Scientific American, 9183: 66.

Quadro riassuntivo

La geoterma Una stima dell’andamento della geoterma, che descrive come la temperatura della Terra cresca con la profondità. La geoterma si trova al di sopra della temperatura a cui i materiali di cui è composta la terra iniziano a fondersi (linea nera) nella parte del mantello vicina alla crosta, dove si forma la zona a bassa velocità, parzialmente fusa (astenosfera).

Geologists disagree over exactly how convection drives the motion of plates. Some believe that only the upper few hundred kilometers of the mantle are subject to convection, which implies that the upper and lower mantles do not mix. Others think that the whole mantle is involved, still others that rising narrow mantle plumes beneath hot spots provide the driving force for convection.

Il flusso di calore La Terra è un corpo caldo in equilibrio dinamico; in altre parole, il suo riscaldamento non aumenta costantemente perché disperde il calore prodotto al suo interno. Come mostrano l'attività vulcanica e il flusso di calore proveniente dagli strati profondi, l'interno della Terra si trova a una temperatura assai elevata. L'origine del calore interno della Terra è legata a due fattori: al raffreddamento dell'originaria massa planetaria e alla produzione di calore per decadimento degli isotopi radioattivi presenti nelle rocce.

Heat flow:conduction and convection In order to understand the mechanical behaviour of the Earth it is necessary to understand its thermal structure, since it determines its rheology. Conduction: kinetic energy is tranferred by intermolecular collisions. In the lithosphere, heat transfer is predominantly by conduction. Convection: motion of the medium to transmit heat. In the mantle convection is extremely important.

Il nucleo Una composizione a base di nichel e ferro è coerente con diversi tipi di studi indiretti (dati astronomici, esperimenti di laboratorio e dati simologici). Questi metalli sono abbondanti nel cosmo, abbastanza densi da giustificare la massa del nucleo e sono compatibili con la teoria che il nucleo si sia formato a causa di differenziazione gravitazionale. Questa ipotesi è stata avvalorata dalla scoperta di meteoriti composte quasi esclusivamente di ferro e nichel.

Campo Magnetico Terrestre Per cominciare da zero, come fareste a stabilire se esiste un campo magnetico sulla Terra o su qualche altro pianeta?

Campo Magnetico Terrestre Se siete empirici, la risposta è semplice: si fa un esperimento. L’esperimento più semplice è mettere un ago magnetizzato su un perno in modo che possa ruotare, in altre parole si parte da una semplice bussola.

Campo Magnetico Terrestre In assenza di campo magnetico, l’ago rimarrà insensibile nella posizione iniziale. In presenza di campo magnetico, l’ago della bussola oscillerà per un po’ per poi assestarsi in una posizione di riposo. Questa è parallela alla direzione del vettore del campo geomagnetico F. Da Allan Cox e Robert Brian Hart, La tettonica delle placche, meccanismi e modalità. Ed. Zanichelli

Campo Magnetico Terrestre Chi ha usato la bussola in navigazione ricorderà che esso non indica esattamente il nord. L’ago della bussola punta verso il nord magnetico, che può deviare di parecchie decine di gradi dal vero nord. F è orizzontale dovunque?

Campo Magnetico Terrestre Provate a fare questo esperimento mentale se vi piace viaggiare: prendete in prestito la bussola di un boy scout dell’Ecuador, che funziona perfettamente all’Equatore, e portatela in Alaska. Cosa succede?

Campo Magnetico Terrestre Scoprirete che l’ago della bussola rimarrà bloccato poiché la testa tende ad inclinarsi sotto il piano orizzontale. La ragione è che a nord dell’equatore il vettore del campo magnetico si tuffa verso il basso. L’inclinazione magnetica è l’angolo tra il vettore del campo magnetico e il piano orizzontale. Da Allan Cox e Robert Brian Hart, La tettonica delle placche, meccanismi e modalità. Ed. Zanichelli

Il campo magnetico di una barra magnetica viene rivelato dagli allineamenti disegnati dalla limatura di ferro sparsa su un foglio di carta.

Campo Magnetico Terrestre Il campo magnetico terrestre è molto simile al campo magnetico che verrebbe prodotto se una gigantesca barra magnetica fosse posizionata al centro della Terra, leggermente inclinata (11°) rispetto all’asse di rotazione. Da Press, Siever, Grotzinger, Jordan, Capire la Terra, Zanichelli.

Modello computerizzato delle linee del campo magnetico Modello computerizzato delle linee del campo magnetico. Le linee del campo magnetico nel mantello sono simili a quelle di un dipolo. Andando verso l’interno, al limite nucleo-mantello si mette in evidenza la complessità del nucleo. Ed ancora verso l’interno, nel nucleo esterno sono aggrovigliate a causa dei moti convettivi.

Campo Magnetico Terrestre Come si magnetizzano le rocce?

Magnetizzazione deposizionale (o detritica) rimanente (MDR) Mentre si depositano i granuli magnetici oscillano attorno al vettore del campo magnetico. Sul fondo i granuli magnetici possono ancora ruotare. Quando il fondo si compatta i granuli magnetici si saldano sul posto e la roccia registra la magnetizzazione deposizionale.

Magnetizzazione termorimanente (MTR) La magnetizzazione che acquistano le colate di lava e le altre rocce ignee al momento del raffreddamento è detta magnetizzazione termorimanente. La temperatura a cui un minerale magnetico perde il proprio magnetismo è la temperatura di Curie (circa 550°C). Facciamo un esperimento: Allan Cox e Robert Brian Hart, La tettonica delle placche, meccanismi e modalità. Ed. Zanichelli

Campo Magnetico Terrestre I paleomagnetisti si aggirano per il mondo alla ricerca di rocce che portino un’impronta magnetica decifrabile.

Buone e cattive memorie magnetiche Come le persone, alcune rocce ricordano perfettamente quello che è accaduto quando erano giovani. In altre rocce questi ricordi sono sepolti sotto il ricordo di eventi avvenuti più recentemente. Alcune hanno dimenticato completamente.

Ripulitura magnetica Il compito del paleomagnetista consiste nello strappare via uno o più strati di sovrimpressioni magnetiche per riuscire a misurare il magnetismo termico o deposizionale primario di una roccia.

Questa operazione detta ripulitura magnetica si esegue riscaldando la roccia o ponendola in campi magnetici alternati.

A che cosa è dovuto il campo magnetico terrestre?

Ipotesi sull’origine del campo interno 97-99% dal nucleo 1-2% dalla crosta <1-2% dall’esterno Magnete permanente posto al centro della Terra? Esperimenti di laboratorio dimostrano che il campo di un magnete permanente viene distrutto quando il magnete viene riscaldato oltre i 500°C. La temperatura della Terra è molto maggiore!!

Ipotesi sull’origine del campo interno Dinamo ad autoinduzione: Nel nucleo esterno della Terra, la bobina in rotazione è rappresentata da celle termiche convettive. Dato un campo magnetico debole che permetta al sistema di cominciare a lavorare, la convezione fornisce il movimento necessario affinché si creino delle correnti elettriche nel materiale in convezione. Le correnti elettriche aumentano l’intensità del campo magnetico che a sua volta fa aumentare l’intensità delle correnti E così via … fino all’equilibrio.

Esempio di magnetismo termorimanente scoperto da uno studente australiano in un antico accampamento. Le rocce, raffreddandosi dopo l’ultimo fuoco, si magnetizzarono nella direzione del campo magnetico allora presente, lasciando una registrazione permanente.

Che cosa produce le inversioni del campo magnetico terrestre?

In realtà il comportamento della Terra è più complesso di una semplice dinamo a disco, che una volta stabilizzatasi, non passa da una polarità all’altra. Tuttavia, sperimentalmente, si può far sì che la dinamo a disco subisca inversioni spontanee aggiungendo altri elementi, come per esempio una seconda bobina… Letture consigliate: Allan Cox e Robert Brian Hart, La tettonica delle placche, meccanismi e modalità. Ed. Zanichelli

La scoperta delle inversioni fu determinata sulla base della datazione potassio-argon. Sulla colonnina di polarità i segmenti neri e bianchi sono intervalli di tempo in cui il campo era rispettivamente normale e inverso. Da Cox & Allen, La tettonica delle placche: Meccanismi e modalità. Zanichelli

Intervalli di polarità Subcrono di polarità 104-105 a Crono di polarità 105-106 a Supercrono di polarità 106-107 a Ai croni fu dato il nome di famosi paleomagnetisti e geomagnetisti, ai subcroni quello della località in cui sono stati scoperti.

Le anomalie magnetiche La scala cronologica delle inversioni venne ben presto estesa da 5 Ma a 165 Ma utilizzando le anomalie magnetiche oceaniche, cioè bande parallele alternate in cui il campo magnetico è maggiore minore del 2% circa del campo medio regionale. Da Cox & Allen, La tettonica delle placche: Meccanismi e modalità. Zanichelli Magnetizzazione termorimanente registrata dai basalti del fondo oceanico, rivelata da strumenti a traino montati dietro navi oceanografiche.

Isostasia Pierre Bouguer nel 1735 scoprì che la deviazione del filo piombo non era quella che si sarebbe aspettato. Egli ebbe il sospetto che l’attrazione gravitazionale esercitata dalle Ande, fosse decisamente inferiore “a quella che mi aspetterei dall’enorme massa rappresentata da queste montagne!”

Archimedes principle: the weight of a floating solid is supported by the weight of the fluid that it displaces. Isostasy: the concept of support of the oceanic and continental plates by the mantle, by maintaining hydrostatic equilibrium.

Isostasia Settori contigui della crosta hanno densità inversamente proporzionali alla loro elevazione fino a una superficie di compensazione supposta alla profondità di 50 Km. La superficie di compensazione è una superficie teorica non fisica. I dati di densità, moltiplicati per lo spessore corrispondente, fino ad una profondità di 50 Km, ci forniscono la pressione relativa a quella profondità, che deve essere approssimativamente la stessa per ogni colonna indipendentemente dalla sua elevazione rispetto alla superficie.

Isostasia: esumazione della crosta inferiore

Rebound post-glaciale

Capp. 17 e 18, Duff, Principi di Geologia fisica di Holmes, Ed. Piccin Cap. 21, Press et al., Capire la Terra, Zanichelli. Letture consigliate: Capitolo 8, Cox A., & Hart R.B., La Tettonica delle placche. Meccanismi e modalità. Zanichelli.