17-02-2012 caratteristiche fisiche e struttura della terra

CARATTERISTICHE FISICHE E STRUTTURA DELLA TERRA
Tra le caratteristiche fisiche del nostro pianeta è di fondamentale importanza il calore interno o calore terrestre, che
rappresenta il motore delle forze endogene. Queste, insieme alle forze esogene connesse all’energia solare, sono
all’origine di imponenti trasformazioni che cambiano continuamente nel tempo il volto del pianeta. Queste stesse forze
hanno operato fin dall’epoca delle origini della Terra e ne hanno delineato una incessante evoluzione geologica, che gli
studiosi di scienze della Terra cercano di ricostruire in modo sempre più dettagliato.
Gran parte dei fenomeni geologici si svolge nell’arco di tempi estremamente lunghi, che possono estendersi per milioni
di anni: sono intervalli normali nella scala del tempo geologico, con cui dovremo familiarizzarci per meglio comprendere
come si sono formate le grandi strutture della superficie terrestre.
DENSITÀ E FORZA DI GRAVITÀ
La Terra ha una densità media 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 o crosta terrestre, si ottenevano valori molto più bassi, compresi tra 2,7 e 3 g/cm3.
Il divario tra i due valori è troppo ampio per essere attribuibile solo al maggiore addensamento dei materiali più interni,
sottoposti a pressioni e temperature 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
“pesanti” 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.
COME DETERMINARE LA MASSA E LA DENSITÀ DELLA TERRA
Si parte dalla legge di gravitazione universale formulata da Newton, secondo cui la forza di attrazione gravitazionale F
tra due corpi di massa M e m posti a una distanza r è data dall’espressione:
∙
∙
Dove G è una costante (costante di gravitazione universale) pari a 6,67 · 10-11.
Indichiamo con M la massa della Terra, supponendo che l’intera massa sia addensata nel suo centro e con m la massa di
un corpo (di valore trascurabile rispetto a M) posto alla sua superficie; la distanza r rappresenta il raggio terrestre, di
valore noto. Esprimiamo ora la legge di Newton rispetto alla massa M della terra, tenendo conto che la forza di
attrazione F esercitata sul corpo di massa m è data da:
F = g · m (dove g, l’accelerazione di gravità, è pari a 9,8 m/sec2); avremo:
=
∙
∙
=
∙
∙
∙
=
∙
= 5,98 ∙ 10
, per il volume V della Terra, che si ricava dal raggio r
Dividendo questo valore, che possiamo arrotondare a 6 ∙ 10
6
3
(pari a 6,38 · 10 m), si ottiene la densità d (in kg/m ), in base al rapporto:
d=M/V
IL CALORE INTERNO DELLA TERRA
Molti fenomeni stanno a testimoniare che la Terra al suo interno è molto più calda che sulla superficie. La presenta di
questo calore interno o calore terrestre si manifesta, per esempio, attraverso le eruzioni vulcaniche, che riversano in
superficie materiale incandescente, le sorgenti idrotermali di acqua calda e i geyser.
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 metri 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 anche su altri tipi di prove raccolte, il gradiente geotermico non è costante, ma da
una certa profondità in poi inizia a ridursi, fino praticamente ad annullarsi: la temperatura tenderebbe perciò a
stabilizzarsi, tanto che al centro della Terra dovrebbe essere compresa tra 4000 e 5000°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 infatti maggiore in certe aree dette “zone calde”, che corrispondono a zone
vulcaniche sottomarine, e sotto le terre emerse, mentre è minore nelle interne dei continenti (“zone fredde”).
Particolarmente importante è il differente riscaldamento che si vede tra punti diversi in zone profonde della Terra, dove
è presente materiale allo stato fuso: si determinano infatti moti convettivi, di risalita e discesa di materiale, che sono
all’origine di movimenti che caratterizzano la superficie terrestre.
L’ORIGINE DEL FLUSSO DI CALORE
Si può pensare che la Terra, all’inizio fosse una massa di materiale fuso molto caldo.
Quando il suo strato superficiale cominciò a solidificarsi trattenne e conservò al suo interno una parte del calore.
Secondo le prime ipotesi avanzate, da questo calore residuo deriverebbe sostanzialmente 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), presenti nelle rocce della crosta
terrestre e presumibilmente anche nelle zone più 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: questo apporto di calore permetterebbe di fare “quadrare il
bilancio” del flusso termico che emerge alla superficie.
IL MAGNETISMO TERRESTRE
Come sappiamo, la Terra si comporta come un enorme magnete, in grado di orientare l’ago magnetico di una bussola
nella direzione nord-sud. I poli magnetici della Terra non coincidono con i poli geografici attraversati dall’asse terrestre,
ma risultano sfalsati rispetto a questi di un angolo di circa 11°. Tra i due poli si estendono linee di forza che avvolgono il
nostro pianeta e che costituiscono il campo magnetico terrestre.
Il magnetismo terrestre veniva spiegato fino all’inizio del secolo scorso con la presenza all’interno della Terra, nella
parte chiamata nucleo, di minerali magnetici in grado di comportarsi come un gigantesco magnete permanente.
Esperimenti di laboratorio hanno però dimostrato che, al di sopra di certi valore di temperatura, tra 500°C e 800°C, tali
minerali perdono le proprietà magnetiche. Poiché all’interno della Terra le temperature superano i valore indicati, l’idea
che il magnetismo terrestre sia prodotto da minerali magnetici non è più sostenibile.
L’ipotesi attualmente accettata è che il campo magnetico terrestre sia generato da correnti elettriche che circolano nel
nucleo (come è noto la corrente elettrica produce un campo magnetico).
Si è poi scoperto che in epoche passate le posizioni dei poli magnetici si sono più volte invertite tra di loro; a
quest’importante risultato si è giunti studiando antiche rocce contenenti minerali ferromagnetici in grado di
magnetizzarsi mantenendo le proprie particelle orientante nella direzione del campo magnetico esistente al momento
della loro formazione.
In pratica, queste rocce registrano testimonianze del magnetismo o paleomagnetismo. Gli studi sul paleomagnetismo si
sono rivelati molto importanti nella ricostruzione delle vicende geologiche che hanno interessato la superficie terrestre,
in particolare quelle relative allo spostamento dei continenti.
UNO SGUARDO ALL’INTERNO DELLA TERRA
Le nostre conoscenze dell’interno della Terra si basano, come già accennato, su informazioni ottenute in modo
indiretto; la principale fonte di informazioni è rappresentata dallo studio dei terremoti e delle onde sismiche che essi
generano e che vengono rilevate anche a grande distanza da strumenti noti come sismografi. Le onde sismiche sono
vibrazioni che si propagano nel terreno, un po’ come fanno nell’aria le onde sono re prodotte, per esempio,
percuotendo un tamburo.
Un terremoto produce due tipi di onde che si propagano all’interno della Terra: le onde P, le prime ad arrivare ai
sismografi, e le onde S, che viaggiano più lentamente. Le onde P si propagano sia nei materiali solidi che in quelli liquidi,
come l’acqua e le rocce fuse (magma); le onde S invece si propagano solo nei materiali solidi.
Studiando le onde sismiche si è constatato che esse cambiano velocità a seconda del materiale attraversato: passando
da un material e meno denso ad uno più denso , la velocità delle onde aumenta, mentre diminuisce passando da un
materiale più denso ad uno meno denso. Inoltre, a ogni cambiamento di velocità, corrisponde quasi sempre una
deviazione dell’onda, cioè una riflessione o una rifrazione.
Lo studio delle onde sismiche di migliaia di terremoti ha consentito di osservare che esse subiscono bruschi
cambiamenti di velocità e direzione che si registrano a ben determinate profondità: ciò indica che l’interno della Terra è
fatto di materiali differenti per composizione, densità e stato fisico. I dati raccolti evidenziano che i diversi materiali
sono distribuiti, a grandi linee, in tre strati o involucri concentrici (modello a strati dell’interno della Terra); le superfici di
separazione tra uno strato e l’altro sono dette discontinuità e sono quelle che fanno deviare le onde sismiche.
I tre strati sono: la crosta terrestre, che è l’involucro più esterno, il mantello e il nucleo, posto al centro.
Per esempio, gli agenti esogeni attraverso l’erosione alleggeriscono nel corso del tempo le grandi montagne,
asportandone materiali che in parte vanno a depositarsi sui fondali marini: il relativo blocco di crosta continentale
troverà un nuovo equilibrio innalzandosi; corrispondentemente, il peso aggiunto dei sedimenti sulla crosta oceanica la
farà abbassare.
Il principio dell’isostasia rende conto di fenomeni che realmente sono stati osservati; uno di questi riguarda l’attuale
sollevamento della regione scandinava, comprendente Norvegia, Svezia e Finlandia, in seguito allo scivolamento
dell’enorme coltre di ghiacci che un tempo schiacciava verso il basso.
La Scandinavia è stata ricoperta, durante l’ultima glaciazione, da una calotta di ghiaccio spessa alcuni chilometri, il cui
peso ha fatto sprofondare di di qualche centinaio di metri la sua base di crosta continentale. Con lo scioglimento dei
ghiacci iniziato 10.000 anni fa, la regione scandinava ha cominciato lentamente a sollevarsi e continua tuttora a farlo al
ritmo di un centimetro all’anno. Ciò comporta anche qualche problema “tecnico”: per esempio, nel porto di Helsinki, in
Finlandia, le navi entrano con crescente difficoltà a causa dell’innalzamento del fondale.
DENSITÀ E FORZA DI GRAVITÀ
La Terrà ha una densità media di circa …………………………………….. .
La densità dell’acqua a 4°C è di 1. Questo significa che la Terra ha una densità ………………………………. Rispetto ad una
sfera di uguali dimensioni costituita solamente da acqua.
La densità della Terra non è omogenea.
I meteoriti sono costituti da due metalli pesanti: …………………………………… e …………………………….. .
Siccome i meteoriti sono ritenuti materia originaria dei pianeti rocciosi del Sistema Solare, si ipotizza che quando la
Terra non era a ancora solida, questi materiali pesanti si sono spostati ……………………………………..... del nostro pianeta che
quindi avrebbe una densità di circa ……………………………………….. .
Per determinare la massa e la densità della terra si ricorre alla Legge di Gravitazione Universale di
………………………………………… che è data dall’espressione:
IL CALORE INTERNO DELLA TERRA
La Terra al suo interno è molto [più / meno] calda della superficie.
Il calore terrestre si manifesta, ad esempio:
- …………………………………………
- …………………………………………
- …………………………………………
Che cos’è il gradiente geotermico?
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
Il gradiente geotermico è costante?
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
Qual è il limite massimo raggiunto nelle trivellazioni per sondaggi petroliferi?
......................................................................................................................................................................
Che cos’è il flusso di calore (o flusso termico)?
.........................................................................................................................................................
.........................................................................................................................................................
.........................................................................................................................................................
L'unità di misura del flusso di calore è l'HFU (Heat Flow Unit).
Nei continenti il flusso medio di calore è di 1,5 HFU. Il valore è inferiore nelle zone interne, geologicamente
stabili, che presentano una crosta spessa, e maggiore nelle aree attive, dove la crosta è più sottile. L'Italia,
geologicamente giovane, ha un flusso di calore superiore alla media, in particolare nelle aree vulcaniche della
Toscana e del Lazio.
Negli oceani il flusso di calore è diverso a seconda delle aree e, a parte nelle dorsali, è appena inferiore a quello
dei continenti. Nei bacini oceanici è circa 1,3 HFU, mentre è inferiore a 1 HFU nelle fosse; lungo le dorsali il
flusso è maggiore di 2 HFU.
Quali sono le due cause all’origine del flusso di calore?
1) ..................................................................................................................................................
2) ...................................................................................................................................................
Spiega il decadimento radioattivo.
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
IL MAGNETISMO TERRESTRE
I poli magnetici della Terra ………… coincidono con i poli geografici attraversati
dall’asse terrestre, ma risultano sfalsati rispetto a questi di un angolo di circa
……….°.
Queste linee si chiamano ……………………………………………… e costituiscono il
…………………………………………………………… .
Qual è la spiegazione più probabile dell’esistenza del campo magnetico
terrestre?
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Qual è l’attuale orientamento delle linee di forza?
…………………………………………………………………………………………
UNO SGUARDO ALL’INTERNO DELLA TERRA
Le informazioni che abbiamo sull’interno della terra, da cosa ci arrivano?
..................................................................................................................................................................................................
Spiega quali sono le principali onde generate in un terremoto e come si propagano
..................................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................................
Come cambia la velocità di propagazione di un onda al variare della densità del materiale attraversato?
..................................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................................
Quali sono gli strati che costituiscono il “modello a strati dell’interno della Terra”?
1) ………………………………………………….
2) ………………………………………………….
3) ………………………………………………….
Tra uno strato e l’altro ci sono le …………………………………………….
Crosta : rappresenta il guscio più esterno ed è lo 0.94%
del volume terrestre.
Si può riconoscere una ……………………………. (5-10 km di
spessore) densa in quanto costituita da rocce silicatiche
ricche di Fe e Mg, e una …………………………………………………
(30-40 km sotto i continenti, 70 km sotto le catene
montuose) meno denso costituita da rocce silicatiche
ricche in Al e Si.
La crosta continentale è più antica di quella oceanica, con
rocce che risalgono a 3.8 miliardi di anni fa.
Mantello : è solido e il suo inizio è segnato dalla
……………………………………………………... Esso rappresenta
l’84% del volume della Terra. E’ costituito da rocce
silicatiche più dense di quelle della crosta.
Anche il mantello si divide in due strati:
……………………………………, fino a una profondità di circa
680 km e …………………………………………………...
A circa 2900 km di profondità si trova la ………………………………………………………, che separa il mantello dal Nucleo che
arriva fino a circa 6370 km di profondità. Esso rappresenta il 16% del volume della Terra.
La discontinuità di Gutenberg segna una differenza chimica tra il mantello e il nucleo che è formato in gran parte da
ferro metallico.
Anche il nucleo è diviso in due strati: uno ……………………………… (che ha consistenza ………………………….) e uno
…………………. (che ha consistenza ………………………….) , entrambi a composizione piuttosto omogenea caratterizzata da
ferro e nichel, separati da una zona di transizione.
La divisione tra i due strati è
……………………………………………………………..
posta
a
circa
5200
km
di
profondità
rappresentata
dalla
La suddivisione in crosta, mantello e nucleo (modello composizionale) è fatta in base alla diversa composizione delle
rocce terrestri. Se si considerano invece le caratteristiche meccaniche, (come la risposta a uno sforzo, la capacità o
meno di fluire e di deformarsi, ecc.) la Terra può essere suddivisa, dall'esterno verso l'interno, in …………………………….,
……………………………………, ……………………………….. e ………………………………………….. (modello reologico: studio del moto di
materiali fluidi).
……………………..……………………………… (strato esterno rigido): comprende la …………………………… e una parte del
……………………………………, la parte più esterna fino a circa 100 km di profondità nelle zone oceaniche e fino a circa 120130 km ed oltre in quelle continentali. La litosfera ha un comportamento abbastanza uniforme di tipo rigido, tipico di
solidi con temperature lontane da quella di inizio fusione.
………………………………………………..…. (strato plastico ): zona parzialmente fusa al disotto della litosfera. I sismologi
indicano questa zona come Low-Velocity Zone (LVZ) in quanto all'interno di essa le onde sismiche vengono
significativamente rallentate. L'astenosfera si estende fino a ……………………………………. km di profondità e il suo limite
inferiore è marcato dall'aumento di velocità delle onde sismiche.
L'astenosfera può deformarsi plasticamente, può fluire lentamente e inarcarsi verso l'alto per effetto di ampi moti
convettivi.
……………………………………………….… (strato meno fluido dell’astenosfera): strato che si estende dalla base
dell'astenosfera (350 km di profondità) fino al ……………………………..……………, al cui interno si riscontrano due
discontinuità a 400 e a 650 km di profondità caratterizzate da bruschi aumenti di velocità. Tali discontinuità
corrispondono a brusche variazioni di densità.
Completa inserendo anche i nomi delle discontinuità: