densità e forza di gravità

Cognome....................................................................... Nome ............................................................................. DENSITÀ E FORZA DI GRAVITÀ Come visto in precedenza, la Terra è il più denso dei pianeti solari: la sua densità media è pari a circa 5,5 g/cm3, cioè oltre cinque volte superiore a quella dell’acqua. Questo valore è dato dal rapporto tra la massa della Terra e il suo volume, calcolato in base al raggio medio terrestre. Ma come si è giunti alla misura della massa? Semplicemente ricavandola, in modo indiretto, dalla legge di gravitazione universale di Newton, sapendo che la Terra esercita su un corpo di massa m posto alla sua superficie una forza di gravità data dal prodotto g ‚ m (pari al peso del corpo), dove g è una costante chiamata accelerazione di gravità. Quando fu nota la densità della Terra, gli scienziati rimasero colpiti da un fatto: misurando la densità delle rocce della superficie, cioè della crosta terrestre, si ottenevano valori molto più bassi, compresi tra 2,7 e 3 g/cm3. Il divario rispetto al valore di 5,5 g/cm3 è troppo ampio per essere attribuibile solo al maggiore “addensamento” dei materiali più interni, sottoposti a pressioni sempre più elevate. La spiegazione più attendibile è stata fornita dall’analisi dei meteoriti, ritenuti frammenti della materia originaria dei pianeti rocciosi del Sistema solare; spesso, i meteoriti risultano costituiti da due metalli, ferro e nichel, molto più densi delle rocce: ciò ha suggerito che quando la Terra non era ancora solida questi metalli, presenti tra i suoi costituenti, si siano separati dalla massa rocciosa più leggera sprofondando verso l’interno; la parte centrale del nostro pianeta sarebbe quindi formata da ferro e nichel e avrebbe una densità di circa 13 g/cm3. IL CALORE INTERNO DELLA TERRA Molti fenomeni stanno a testimoniare che la Terra al suo interno è molto più calda che alla superficie. La presenza di questo calore interno o calore terrestre si manifesta per esempio attraverso le eruzioni vulcaniche, che riversano in superficie materiale incandescente, le sorgenti idrotermali, cioè di acqua calda e le emanazioni di vapore acqueo come i soffioni e i geyser; il calore interno della Terra è una fonte di energia chiamata energia geotermica. I dati raccolti indicano che, scendendo nel sottosuolo, dopo alcune decine di metri (limite oltre il quale cessa l’influenza della temperatura esterna), si manifesta un progressivo incremento della temperatura, misurato in circa 3 °C, in media, per ogni 100 m di profondità: questo aumento della temperatura in funzione della profondità è detto gradiente geotermico. I dati sono stati rilevati sperimentalmente fino al limite massimo raggiunto nelle trivellazioni per sondaggi petroliferi, circa 15 km. Secondo i calcoli dei geologi, basati su vari tipi di prove raccolte, il gradiente geotermico non è costante, ma da una certa profondità in poi inizia a ridursi. Mappa del flusso di calore alla superficie terrestre. In rosso, nelle varie tonalità, le zone calde, in azzurro le zone fredde. La zona più calda in assoluto è localizzata al centro dell’oceano Pacifico, in corrispondenza di una catena di vulcani sottomarini detta dorsale medio‐pacifica. Teniamo conto che a 10 km di profondità la temperatura è di circa 300 °C; se il gradiente geotermico si mantenesse costante, a 40 km si avrebbero temperature di circa 1200 °C e le rocce dovrebbero trovarsi in gran parte allo stato fuso; i dati basati sull’analisi delle onde sismiche indicano invece che i materiali con temperature vicine al punto di fusione si incontrano solo a oltre 100 km di profondità. L’ipotesi più plausibile è che il gradiente geotermico tenda ad annullarsi scendendo sempre più in profondità, per cui la temperatura dovrebbe stabilizzarsi, tanto che al centro della Terra dovrebbe essere compresa tra 4000 e 5000 °C. Del resto, non è pensabile che la temperatura continui progressivamente ad aumentare procedendo verso le parti più interne della Terra: se così fosse, il centro del pianeta, a oltre 2900 km di profondità, dovrebbe trovarsi all’incredibile temperatura di 200.000 °C. Il calore interno della Terra tende a salire costantemente in superficie; questo flusso di calore o flusso termico terrestre è espresso dalla quantità di calore che ogni secondo passa attraverso una unità di superficie e rappresenta un apporto di energia termica non trascurabile, ma comunque inferiore di circa 5000 volte al flusso di energia che ci arriva dal Sole. Il flusso di calore non è omogeneo: è maggiore in certe aree, dette “zone calde”, che corrispondono a zone vulcaniche sottomarine e situate in corrispondenza delle terre emerse, mentre è minore nelle zone interne dei continenti (“zone fredde”). L’esistenza di questo flusso di calore diretto dall’interno all’esterno del pianeta è la conseguenza del fatto, prima accennato, che all’aumento della profondità corrisponde un aumento della temperatura; come meglio vedremo più avanti, in certe zone interne della Terra è presente materiale allo stato semifluido che, in seguito al “riscaldamento dal basso”, è soggetto a lenti moti convettivi di risalita e discesa che sono alla base di potenti forze in grado di provocare movimenti che interessano la superficie terrestre. L’ORIGINE DEL CALORE TERRESTRE Si ritiene che la Terra, all’inizio, fosse una massa di materiale fuso molto caldo. Quando il suo strato superficiale cominciò a solidificare in seguito a raffreddamento, trattenne e conservò al suo interno una parte del calore. Secondo le prime ipotesi avanzate, è da questo calore residuo che deriverebbe il flusso termico in superficie. In seguito si è tuttavia accertato che il semplice calore residuo non è sufficiente a spiegare l’entità del flusso termico e la sua distribuzione: deve esserci anche un’altra fonte di calore. Questa è stata individuata negli elementi radioattivi, come per esempio l’uranio, che si trovano nelle rocce della crosta terrestre e che presumibilmente sono presenti anche in zone profonde; gli elementi radioattivi o radioisotopi sono instabili e si trasformano in elementi stabili emettendo radiazioni: il processo, detto decadimento radioattivo, comporta la liberazione di energia nucleare che si trasforma in calore; proprio questo apporto di calore permetterebbe di fare “quadrare il bilancio” del flusso termico che emerge in superficie. GUIDA ALLO STUDIO 1.
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Come è spiegato il fatto che la densità delle rocce della crosta terrestre è molto inferiore alla densità media della Terra? .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... Che cosa si intende per gradiente geotermico? .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... Come si spiega l’origine del flusso di calore che proviene dall’interno della Terra? .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... CONCETTI CHIAVE La Terra ha una _______________ ____________ di circa 5,5 g/cm3, che è quasi doppia della ___________ Della parte superficiale; questo fatto viene spiegato ammettendo che la parte centrale del nostro pianeta sia costituita da una grande massa metallica di elevata ________________ formata da ferro e nichel. Molti fenomeni indicano che la Terra trattiene al suo interno calore, detto ___________ ______________. Al di sotto della superficie terrestre si osserva un aumento progressivo della temperatura in funzione della profondità, detto ______________________ _________________________. Il calore interno della Terra che si libera costantemente all’esterno per unità di superficie rappresenta il ______________ di termico terrestre.
______________ o ______________ 1.
Indica il completamento corretto. a.
La densità media della Terra è: †
Circa 2,7 g/cm3 †
Maggiore di 6 g/cm3 †
5,5 g/cm3 †
4,5 g/cm3 b.
Il gradiente geotermico è †
Il calore liberato dalla Terra †
L’energia geotermica †
L’aumento della temperatura in funzione della profondità †
La misura del flusso termico 2.
Indica i completamenti errati. a.
Il prodotto g ‚ m †
È l’accelerazione di gravità †
Rappresenta il peso di un corpo di massa m †
Rappresenta la legge di gravitazione universale †
Rappresenta la forza di gravità b.
La temperatura interna della Terra †
Aumenta di 3 °C ogni 100 m di profondità fino al centro del pianeta †
Aumenta con la profondità †
Supera forse i 6000 °C nel nucleo esterno †
Raggiunge presumibilmente valori tra 4000 e 5000 °C al centro del pianeta 3.
Completa la seguente frase inserendo i termini mancanti (tre di questi sono riportati in basso). Il flusso termico terrestre, espresso dalla quantità di ___________________ che ogni __________________ passa attraverso una unità di _________________, è _______________________ in certe aree che corrispondono a zone vulcaniche _________________ e situate in corrispondenza delle terre emerse, mentre è ___________________ nelle zone interne dei __________________. [minore – sottomarine ‐ superficie]