O - ISCaMaP

Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione
Insegnamento di Chimica
Generale
083424 - CCS CHI e MAT
Accrescimento dei Pianeti,
Struttura della Terra
Prof. Attilio Citterio
Dipartimento CMIC “Giulio Natta”
http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/it/education/general-info/
2
Origine delle Atmosfere Planetarie
• L’Universo sembra essere vecchio
di circa 15 miliardi di anni.
• Secondo le teorie correnti, il sistema
solare ha una età di 5 miliardi di
anni.
• Le atmosfere primigenie dei pianeti
si sono formate circa 4.5 miliardi di
anni fa.
• Se però i pianeti più grossi non
hanno probabilmente cambiato la
composizione delle loro atmosfere
da allora, quelle dei pianeti più caldi
e leggeri sono evolute fino a 400
milioni di anni fa.
Attilio Citterio
Tempi
Singolarità
3
Energia ed Evoluzione dell’Universo
Inizio nascita
delle stelle
La velocità di nascita delle stelle
è massima a ~0.5-1 miliardi di anni
Energia gravitazionale
E = mc2
Vecchio medello
di velocità di
formazione stelle
1
2
5
~14
10
MILIARDI DI ANNI
Big
bang
Era
oscura
Formazione
Via Lattea
Attilio Citterio
Si forma
il nostro
sistema solare
La vita
appare
sulla terra
Evoluzione
della specie
umana
Abbondanze Relative degli Elementi
nell’Universo
4
COMPOSIZIONE DEL MEZZO INTERSTELLARE
Elemento
H
He
O
C
N
mole %
93.9
5.9
0.006
0.003
0.0002
Elemento
mole %
Elemento
mole %
Ne
Ni
Si
S
Fe
0.00012
0.00004
0.000025
0.000015
0.0000085
Mg
Ca
Al
Ar
Na
0.0000075
0.0000028
0.0000036
0.0000018
0.0000016
• Si noti che >99.8% degli atomi nell’universo sono H o He
• il 95% delle stelle, incluso il Sole sembra avere tale composizione. Se i pianeti
trattenessero tutti i loro elementi, la loro composizione sarebbe la stessa con
atmosfere costituite da H2 e He. Di fatto alcuni pianeti, come la Terra (la cui
distanza dal Sole è: 1.5×108 km, la massa: 6×1024 kg, e il raggio: 6,370 km), si
discostano molto e ciò deve esser legato alle loro posizioni e proprietà fisiche.
Attilio Citterio
5
Pianeti del Sistema Solare
Pianeta
distanza
dal sole massa
densità
superficiale T
raggio
(×Terra) (×Terra) (×Terra)
m·s-1
-
(g·cm 3)
(K)
Mercurio .387 .054 .382 3.62 5.42
Venere .723 .815 .949 8.6 5.25 732
Terra
1
1
1
9.78 5.52 288
Marte
1.52 .108 .532 3.72 3.94 223
Giove
Saturno
Urano
Nettuno
Plutone
5.2 318 11.3
9.54 95.2 9.46
19.2 14.5 4.1
30.1 17.2 3.88
39
.02 0.12
24.1
22.9
7.77
11.0
-
Titano
9.5
1.25 1.88
.001
0.4
Attilio Citterio
Pianeti
rocciosi
terrestri
interni
1.31 170 I Giganti
0.69 130 Gassosi
1.19 58
I Giganti
1.66 55 di ghiaccio
1.2 ~55 -(solitario )
95
Luna di Saturno
6
Classificazione dei Pianeti
Attilio Citterio
Metalli
2000
Temperatura (K)
• I composti chimici che si formano
dagli elementi sono suddivisi in "gas"
(idrogeno e gas nobili), condensabili
(acqua, ammoniaca, e metano), e
rocciosi (a partire da tutti gli altri
elementi).
• I pianeti "terrestri" presentano una
superficie solida. I "giganti gassosi"
ne sono privi.
• Benché la Terra possieda più acqua
degli altri pianeti interni, ne rimane
comunque sempre solo circa 500
ppm, che è solo il 10-3 della frazione
originaria presente nella galassia, e
che è ancora presente nei grossi
pianeti esterni.
Urano
Terra Giove Saturno
1000
Silicati,
materaili rocciosi
Acqua solida
Ammoniaca solida
0
5
10
15
20
Distanza dal Sole (A.U.)
La temperatura, la massa del
pianeta e la distanza dal sole
ha determinato l’accumulo o la
perdita di elementi e la natura
dei pianeti!
7
Formazione dei Pianeti
Teoria di Laplace: Quando la temperatura dell’anello di materiale
che circolava attorno al sole è scesa sotto i 2000 K (~4.5×109 anni
fa) si condensò nei pianeti, le cui orbite stanno sul piano di
quell’anello.
A differenza del sole, le masse dei pianeti non sono abbastanza grandi
da riscaldarli fino alle "temperature di reazioni termonucleari" (solo Giove
è vicino a raggiungere questa massa critica). I pianeti interni contano
ora interamente sul Sole per la loro energia. I pianeti più grossi, come
Giove producono ancora una significativa quantità di "energia interna”,
che però non è molto elevata, e siccome la radiazione dal sole
diminuisce col quadrato della distanza, i pianeti esterni sono molto più
freddi di quelli interni.
Attilio Citterio
8
“Accrescimento” dei Pianeti
Gli elementi costituenti i pianeti si sono formati
nelle stelle che hanno terminato il loro ciclo
vitale, diffondendo residui cosmici in forma di
elementi chimici. L’attrazione gravitazionale
concentrò la materia espulsa in regioni definite. Il
grosso si concentrò in stelle, generando tanto
calore da iniziare il processo di fusione nucleare.
I pianeti invece si sono formati dal materiale non
incluso nelle stelle tramite un processo detto di
“accrescimento” (proposto nel 1944 da Schmidt,
e dimostrato nelle missioni lunari).
L’accrescimento è un processo in cui piccoli
granuli della nebula originaria diventano grossi
granuli, poi piccole particelle, quindi grossi
particolati, poi ghiaia, aggregati che si ingrossano
fino a diventare piccoli pianeti. Il processo
continua fin a completo incorporamento della
materia.
Attilio Citterio
9
Composizione Atmosfere Planetarie
Oggetto
P
(atm)
Sole
Mercurio
Venere
Terra
Marte
10-15
92
1
0.006
Giove
Saturno
Urano
Nettuno
Plutone
Titano
10-4
1.6
v
(km·s-1)
618
4.2
10.3
11.2
5.0
59.5
35.6
21.2
23.6
~1.2
2.1
--- Rapporti di Mescolamento---CO2
H2
He
O2
N2
0.92 0.078
----0.02
0.42 (Na).42 0.15
--12ppm 0.97
<10-6
--5.2ppm .00033 0.209
----0.97
0.001
CH4
0.89 0.11
----0.97 0.03
----0.83 0.15
0.02
--0.85 0.13
---------per lo più CH4 -----.002
Attilio Citterio
----0.03
0.78
0.03
-------------0.82
10
Atmosfere del Sistema Solare
I Pianeti Terrestri
MERCURIO
VENERE
TERRA
I Giganti Gassosi
MARTE
GIOVE
Composizione dell'Atmosfera
O2
oxygen
42%
Na
sodium
CO2
Biossido
di carbonio
96%
N2
nitrogen
29%
3%
H2
Other
gasses
hydrogen
22%
Other
gasses
7%
N2
nitrogen
78%
O2
oxygen
21%
CO2
Biossido
di carbonio
NETTUNO
H2
H2
H2
H2
Idrogeno
Idrogeno
96%
Idrogeno
95%
90%
Idrogeno
83%
80%
N2
He
He
He
azoto
He
10%
azoto
3%
15%
Other
gasses
Other
gasses
azoto
3%
Ar
Ar
hydrogen
1%
~%
1,5%
NUBI DI
Other
gasses
<1%
URANO
Composizione dell'Atmosfera
hydrogen
H2SO4
SATURNO
Other
gasses
0,5%
Attilio Citterio
azoto
<1%
<1%
H2 E'
METALLICO
A ALTE P
NUBI DI
GAS
SOLFORATI
CH4
metano
2.5%
IL METANO
INDUCE IL
COLORE BLU
azoto
19%
CH4
metano
~1%
I PIU FORTI
VENTI DEL
SISTEMA
Peculiarità della Distribuzione degli
Elementi nelle Atmosfere Planetarie
• Mercurio e Marte sono quasi senza
atmosfera, quella di Venere è costituita
per lo più da CO2. La Terra è
composta prevalentemente da N2 e O2
mentre gli altri pianeti più esterni quasi
solamente da H2 e He.
• I grossi pianeti esterni hanno trattenuto
i loro gas leggeri, mentre i pianeti più
piccoli interni hanno perso la maggior
parte dei loro componenti volatili.
• Come curiosità, il nucleo interno di
Giove e Saturno è costituito
probabilmente da rocce, e da molto
idrogeno liquido metallico date le
elevatissime pressioni interne.
Attilio Citterio
11
12
Cos’é il Rapporto di Mescolamento?
•
•
•
Altezza
I rapporti di mescolamento
(km)
corrispondono alle frazioni molari,
normalmente espresse come parti-permilione, miliardo, trilione in volume
100
(rispettivamente ppmv, ppbv, o pptv).
Ar N2
L’inclusione del termine ”in volume"
80
riflette la Legge di Avogadro per un gas
O2
H2O
O
CO
3
2
ideale, in quanto volumi uguali
60
contengono numeri uguali di molecole,
CH4
distinguendo così i rapporti di
40
mescolamento dalle frazioni in massa
che sono dati come parti-per-milione
N2O
(ppm) in peso.
20
Poiché con l’altezza vi sono ampie
variazioni di temperatura (e perciò di
0
densità), le concentrazioni (in unità di
10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1
molecole/ml) non variano così
Rapporto di Mescolamento
regolarmente (vedi grafico a fianco
(atmosfera terrestre)
riferito all’atmosfera terrestre).
Attilio Citterio
13
Differenze tra le Atmosfere
• I grossi pianeti esterni conservano le loro atmosfere originali di
atomi leggeri a causa della gravità cui soggiacciono e delle basse
temperature.
• Quelli interni hanno perso le loro atmosfere originali, e o
possiedono atmosfere molto rarefatte (Mercurio e Marte) o hanno
formato altri gas (N2, O2 o CO2) che sono meno facilmente persi
(Terra e Venere). Perché?
Legge di distribuzione di Maxwell-Boltzmann:
2

Pv =  
π 
1
2
2 m 
v 

 2kT 
3
mv 2
2 −
e 2 kT
Attilio Citterio
Pv = probabilità di una
particella di massa m di
avere velocità v alla
temperatura T
14
Distribuzione delle Velocità per O2
vmp
T = 300 K
Pv
O2
T = 600 K
vmp
T = 1500 K
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.6 3.0
v
(km·sec-1)
• Il massimo in Pv si trova ponendo dPv /dv = 0 e fornisce la
velocità più probabile (vmp)
1/ 2
1/ 2
2
kT
2
RT




• vmp cresce con la temperatura,
=
vmp =

 M 
m




e decresce con l’aumento
del peso molecolare.
Attilio Citterio
15
Velocità di Fuga dei Gas
Per sfuggire dal campo gravitazionale, andando nello spazio, la
velocità verticale delle particelle deve esser superiore alla
velocità di fuga vesc:
vesc
dove: G = costante gravitazionale
= (6.672×10-11 m3·s-2·kg-1)
1/ 2
2
GM

Mp = massa del pianeta.
p 
=

2
r = distanza dal centro del
 r

pianeta
Per la Terra:
Mp = 6.0×1024 kg, r = 6.4×106 m, da cui: vesc=1.1×104m∙s-1 = 11 km∙s-1.
Per Giove: 59.5 km·s-1; per Marte: 5.2 km·s-1.
Attilio Citterio
16
Differenziazione tra le Molecole
v/vmp
1
2
3
4
Frazione
0.53
0.02
10-4
10-6
v/vmp
6
10
15
Frazione
10-20
10-50
10-90
Dal grafico precedente, 11 km·s-1 è ben sopra il vmp anche a 500 km, dove
la temperatura è ~600 K, per cui solo una piccola frazione di molecole di
ossigeno (~10-70) nell’atmosfera hanno velocità superiori a tale valore.
Si nota come, al crescere dei valori di vesc rispetto a vmp, la frazione
diventa molto piccola, rendendo praticamente impossibile la fuoruscita
delle molecole più pesanti. Per H a 600 K dell’esosfera, vmp ~3 km·s-1, e la
probabilità di fuga è di poco superiore a 10-6. Per cui nel miliardo di anni
della vita media del pianeta, la maggior parte dell’idrogeno è stata persa,
nel momento in cui si produce per dissociazione dell’H2O nell’esosfera.
Attilio Citterio
17
Origine dell’Atmosfera Terrestre
Distribuzione degli isotopi dei gas nobili (Elio,
Argon, Neon, Xeno)
 Nelle meteoriti :
40Ar/36Ar
 10-2 - 10-4
 Nell’atmosfera :
40Ar/36Ar
 296
 Vulcani sotto-marini :
L'atmosfera
terrestre non
proviene dalla
nebulosa solare
primitiva, ma
dall'interno della
Terra.
Attilio Citterio
40Ar/36Ar
 20 000
18
“Accrescimento” della Terra
Il grosso della massa terrestre era già costituita 4.56 miliardi di anni
fa. Il fenomeno dell’accrescimento continuò a far aumentare la massa
della terra fino a che questa diventò abbastanza grande da trattenere
un’atmosfera (4.4 miliardi di anni fa). Il calore, generato dal processo
di accrescimento (e in parte dal decadimento di elementi radioattivi),
portò alla fusione del nucleo ed iniziò il ciclo geotermico.
Questo portò alla differenziazione degli elementi chimici. Le rocce
più antiche sulla terra sono alcuni zirconi dell’Australia che datano tra
i 4.1 e i 4.3 miliardi di anni fa.
La differenziazione primaria degli
elementi si basa sulla chimica dei
vari elementi rispetto al ferro. Ciò è
ragionevole perché il ferro
costituisce il 35% della massa
terrestre.
Attilio Citterio
Gli Elementi in Base all’Abbondanza
Relativa sulla Superficie Terrestre
Attilio Citterio
19
20
Classificazione degli Elementi
Goldschmidt stabilì 4 classi di elementi:
Siderofili - elementi che sono ridotti dal ferro; (E° > -0.44 V. Le loro
forme ossidate sono ridotte dal ferro. Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt,
Mo, W, Re, Au, Ge, Sn)
Litofili - elementi che non sono ridotti dal ferro e hanno tendenza a
formare ossidi complessi sulla crosta terrestre (Li, Na, K, Rb, Cs,
Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, Sc, Y, Terre rare, Si, Ti, Zr, Hf, Th, P, V,
Nb, Ta, Cr, U, F. Cl, Br, I, Mn ( C, P, W, H, Tl, Ga, Ge, Fe))
Calcofili - elementi che non sono ridotti dal ferro e hanno tendenza a
formare solfuri complessi (Cu, Ag, Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Bp, As,
Sb, Bi, S, Se, Te (Fe, Mo, Ca))
Atmofili - elementi che sfuggono nell’atmosfera (N, He, Ne, Ar, Kr,
Xe)
Attilio Citterio
21
Classificazione Geochimica degli Elementi
Atmofili He
Litofili
H
Be
B
C
N
O
Na Mg
Al
Si
P
S
Cl
Cu Zn
Ga
Ge As
Se
Br Kr
Ru Rh Pd
Ag
Cd
In
Sn Sb
Te
I
Xe
Pt
Au
Hg Tl
Pb Bi
Po
At
Rn
Li
K Ca Sc Ti
Rb Sr Y
V
Mn Fe
Zr Nb Mo Tc
Cs Ba
La Hf Ta
Fr
Ac Af
Ra
Cr
W Re
Os
Co
Ir
Ni
Siderofili
Attilio Citterio
Calcofili
F Ne
Ar
22
Formazione degli Oceani
• L’atmosfera consiste di gas che circondano la terra, e la sua
composizione è variata drammaticamente dalla sua formazione. La
prima atmosfera si è persa nello spazio nei primi milioni di anni
dopo l’accrescimento. Tale atmosfera consisteva di gas
immagazzinati nei planetoidi da cui si formò la terra. Per lo più si
trattava di CO2 e N2 con tracce di metano, ammoniaca, biossido di
zolfo e acido cloridrico. Non c’era ossigeno.
• La seconda atmosfera della terra conteneva CO2, N2 e H2O, ma
non ancora ossigeno. Come la superficie terrestre si raffreddò
grandi masse d’acqua formarono oceani e laghi, e iniziò il ciclo
idrologico e i processi di dilavamento. Si sa poco dei successivi due
miliardi di anni, perché l’emissione solare era circa il 30% meno
dell’attuale e perché non si conosce l’esatta composizione
dell’atmosfera.
Attilio Citterio
23
Evoluzione dell’Atmosfera
• Atomi Primordiali : 4.5 BA (miliardi di anni)
 Condensazione della Materia Interstellare: Gas Idrogeno
ed Elio
•
Atomi Secondari: 4 BA
 Degasaggio Planetario: Vapor d’acqua e Biossido di
Carbonio
Attilio Citterio
24
O2 nell’Atmosfera Terrestre Primitiva
L’atmosfera pre-biotica aveva un livello di ossigeno probabilmente tra
5×10-12 e 10-9 PAL (dove PAL sta per "Livello Atmosferico Presente").
A differenza dei grossi pianeti esterni (che hanno conservato l’atmosfera
iniziale) o di quelli interni più piccoli (con vmp inferiori, che hanno perso il
grosso delle loro molecole gassose), l’O2 sulla Terra reagì con l’H2 in
eccesso formando H2O (gli oceani), e con il C dando CO2, che fu fissata
in rocce. Il resto di H2 e He sfuggirono nello spazio.
Il degassaggio lasciò molecole gassose
più grandi (H2O, CO2, e soprattutto N2).
La quantità di vapore (H2O) variò in
funzione della temperatura. All’inizio
l’atmosfera era lievemente riducente
(CH4, H2S, e NH3), ma queste due ultime
molecole furono dilavate o fotolizzate.
L’ossigeno fu prodotto solo tardi da
sistemi viventi (batteri fotosintetici)
% atmosfera
Ammoniaca,
Metano
75%
Azoto
50%
Vapor
d’acqua
25%
H2
He
4.6
4.0
Da:
Hadean
Biossido di
carbonio
3.0
Archean
Ossigeno
2.0
1.0
Proterozoic
Tempo (Ga) miliardi d’anni
Attilio Citterio
Ora
Phanerozoic
25
Fonti Primitive di Ossigeno
Il poco di ossigeno presente in quel periodo (~10-9 PAL) derivava dalla
fotolisi dell’H2O o della CO2 secondo le seguenti sequenze di reazioni:
H2O + hν (λ < 240 nm) → H• + •OH
seguita da:
+ •OH → O + H2O
O + •OH → O2 + H•
O + O + M → O2 + M
•OH
oltre che da: CO2 + hν (λ < 230 nm) → O + CO
anch’essa
seguita da:
O + O + M → O2 + M
Attilio Citterio
26
Evoluzione dell’Atmosfera
• Microbi Anaerobici (3.5 BA)

Non c’è ossigeno
nell’ambiente
• “Cianobatteri”: 2.5 BA

Fotosintesi: si produce O2
che è un veleno per i batteri
anaerobici
• Atmosfera Presente
Goccia di lipide

Co-evoluzione di Vita e
Atomi:
 Azoto/Ossigeno
 L’ozono formato
dall’ossigeno protesse gli
organismi dal Sole.
Attilio Citterio
Nucleotide
(DNA circolare)
Granulo proteico
Ribosoma
Lamella
fotosintetica
Phycobilisomes
(cyanosomes)
Membrana plasmatica
Parete cellulare
Rivestimento gelatinoso
27
Formazione dello Strato di Ozono
• Assorbendo i raggi ultravioletti
del sole, lo strato di ozono
protegge la vita non-acquatica
visibile
ultravioletti
3 O2 + hν → → 2 O3
• Evolvono gli aerobi (2 BA)
 Usano O2, rilasciano CO2
 Relazione sinergica con le
piante verdi; mantengono l’O2
atmosferico in statostazionario
• Evolvono gli organismi
pluricellulari
 Usano O2, rilasciano CO2
 Conquistano le terre emerse
L’attuale strato di ozono (NASA)
Attilio Citterio
28
Evoluzione dell’O2 Terrestre
Ossigeno
x PAL
2.0
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
.9
.8
.7
.6
.5
.4
.3
.2
.1
0
Estinzioni di massa
70 cm draghi volanti
pesci
uccelli
-Raggiunto il punto di Pasteur Creature marine
con scheletri
-livelli significativi di O3
esterni
-si formano celle eucariote
insetti
Piante terrestri
creature gelatinose tipo pesci
-1.4
-1.2
-1.0
-0.8
Attilio Citterio
Si forma uno strato di
ozono simile all’attuale
-0.6
-0.4
-0.2
tempo (miliardi di
0 anni da adesso)
29
Evoluzione dell’O2 Terrestre
•
3.5 miliardi di anni fa c’è evidenza di microrganismi quali batteri procarioti
(senza nuclei) che aumentano il livello di O2 sopra i 10-9 PAL.
•
1.4 miliardi di anni fa compaiono le cellule eucariote (con nuclei) e perciò l’O2
deve aver superato gli 0.01 PAL(O2), rendendo possibile lo sviluppo di
organismi pluricellulari (Metazoici).
•
670 milioni di anni fa, durante il periodo Ediacariano, esistevano creature
gelatinose tipo pesci a 0.06 PAL(O2)
•
535 milioni di anni fa, all’inizio del Cambriano, si trovano molti fossili, perché
cominciano a comparire le prime creature marine con scheletro esterno.
Protette dalla radiazione UV letale dall’acqua essi poterono sopravvivere a
livelli di ossigeno inferiori a 0.1 PAL(O2).
•
420 milioni di anni fa, nel Siluriano apparve la vita sulle coste. Un significativo
strato protettivo di ozono si doveva esser così formato. Non appena lo strato
di ozono fu presente in concentrazioni sufficienti a bloccare le letali radiazioni
UV, la vita poté svilupparsi fuori dall’acqua.
Attilio Citterio
30
Evoluzione dell’O2 Terrestre
•
390 milioni di anni fa, all’inizio del Devoniano compaiono ampie foreste e
l’O2 crebbe superando il livello attuale (~2 PAL), con alcune oscillazioni.
•
La vita sulla terra è stata regolata dal livello di O2 nell’atmosfera. Le prime
forme di vita erano anaerobiche (usavano la fermentazione di molecole
organiche esterne per recuperare energia). Per esse l’O2 era un veleno.
Quando l’O2 raggiunse gli 0.01 PAL, gli organismi cambiarono dalla
fermentazione alla respirazione che usa un meccanismo fotosintetico
che fornisce 30-40 volte più energia. Queste forme di vita usano la luce per
produrre molecole organiche, consumando CO2 e generando O2 :
n CO2 + n H2O + hν (470 × n kJ) → (CH2O)n + n O2
•
L’energia è poi recuperata dall’ossidazione delle molecole organiche nella
reazione inversa. Però, per ogni mole di C depositato sotto terra o sul
fondo degli oceani, dove c’è poco O2, una mole di O2 finisce nell’atmosfera.
L’esplosione della vita determinò l’aumento dell’O2 sopra 1 PAL, e
promosse una esplosione di forme viventi. Dai fossili è però chiaro che vi
furono alcuni eventi catastrofici, che portarono ad estinzioni di massa.
Attilio Citterio
31
Evoluzione delle Specie Viventi sulla Terra
Attilio Citterio
32
L’Albero della Vita (BBC)
Attilio Citterio
La Differenziazione del Mantello e la Nascita
della Crosta Terrestre.
33
• Dopo la formazione dell’aggregato terrestre (~ 4.5 BA), il mantello si
venne a sua volta differenziandosi ed organizzandosi in due zone:
 Un mantello inferiore, a silicati e relativamente omogeneo.
 Un mantello superiore, zonato e una crosta.
40 km
660 km
2690 km
2890 km
5150 km
6370 km
Ferro
Silicati
Attilio Citterio
34
Struttura della Terra
Profondità
km
Crosta continentale
Acqua oceanica
(rigida) (2.7 g/cm3)
(1g/cm3)
Crosta oceanica
(rigida) (2.9 g/cm3)
8-50 10kb
Litosfera (rigida)
50-550
Ferro-nichel
Allumino
-silicati
(AlxSiyOz)
mantello
Astenosfera
Superiore (deformabile
(3.3 g/cm3) capace di fluire)
Solido, d = 1270 km
Massa % = 31%
P = 1450 kb
550-2000
450kb
Pressione
al fondo
mantello
inferiore
(4.5 g/cm3)
Nucleo esterno
H 2O
e gas
(atmosfera)
Mantello
crosta
Attilio Citterio
35
La Crosta Terrestre
La crosta continentale, generalmente emersa, ma sommersa sui bordi
dei continenti
La crosta oceanica, che forma la base dell’oceano profondo.
Il limite tra questi 2 tipi di croste è imposto dal movimento delle placche
tettoniche (il cui movimento di subduzione provoca i terremoti e la
formazione di vulcani).
Limiti delle placche
Le placche sono dei
frammenti di litosfera
Attilio Citterio
36
La Crosta Oceanica
Margine
Oceano
Continente
Crosta
MOHO
Basalti a cuscino (blocchi di lava raffreddati)
osservati sul fondale alla sommità della
crosta oceanica.
La crosta oceanica (in nero sullo schema) è
sottile (7 km in media). E’ principalmente
costituita da basalto e da gabbro (del
basalto cristallizzato). Tale crosta è
relativamente giovane in quanto creata
dall’attuale tettonica delle placche.
Attilio Citterio
Mantello superiore
litosferico
Mantello superiore
astenosferico
37
La Crosta Continentale
Margine
Oceano
Continente
Crosta
MOHO
Cime granitiche delle Alpi.
La crosta continentale (in rosso sullo schema)
è spessa (35 km in media, fino a 80 km sotto le
catene di montagne). E’ costituita
principalmente da rocce granitiche e da rocce
sedimentarie. La sua densità media è di 2.8.
Questa crosta contiene ancora le rocce più
vecchie sulla Terra (oltre 4 miliardi di anni).
Essa è il frutto delle tettoniche precedenti.
Attilio Citterio
Mantello superiore
litosferico
Mantello superiore
astenosferico
38
Storia Globale
Origine
La più vecchia
Il più vecchio
della Terra roccia conosciuta fossile conosciuto
-4.6
-4.0
Calore di
accrescimento
BA
-3.0
-2.0
-1.0
0.0
Produzione di calore totale
Calore radioattivo
Magmatismo del mantello
Produzione « irreversibile »
dei continenti
Superficie dei continenti
-4.6
-4.0
-3.0
Attilio Citterio
-2.0
-1.0
0.0
39
Evoluzione dei
Minerali sulla Terra
http://palaeos.com/abiotic/mineral
/mineral_evolution.html
Attilio Citterio
Sequenza di Condensazione di Minerali
all’Equilibrio
1700
1600
1500
-7
1100
1000
Legenda formula minerali
Fe
Corindone
Ni
Anortite
Diopside
-9
Perovskite
-10
Ni
Akermanite
Log10Pi
-8
Temperatura (K)
1400 1300 1200
-11
3.0
40
2.8
2.6
2.4
2.2
I / Distanza Eliocentrica (A.U-1)
2.0
Attilio Citterio
1.8
Corindone Al2O3
Perovskite CATiO3
Gehlenite Ca2Al2SiO7
Akermanite Ca2MgSi2O7
Spinello MgAl2O4
Lega Ferro - Nichel Fe + Ni
Forsterite Mg2SiO4
Diopside CaMgSi2O6
Enstatite MgSiO3
Anortite CaAl2Si2O8
Feldspato [Na,K]AlSi3O8
Sequenza di Condensazione di Minerali
all’Equilibrio
900
800
700
Temperatura (K)
600
500
400
300
200
Legenda formula minerali
Fe
-8
Fayalite Fe2SiO4
Ferrosilite FeSiO3
Nrphelina [Na,K]AlSiO4
Troisite FeS
Nillerite NiS
Tremolite Ca2Mg2Si8O24H2
Talco Mg3Si4O12H2
Magnetite Fe3O4
Serpentino Mg3Si2O9H4
-9
log10Pi
Ni
-12
F/N = Feldspato e
Nefelina
1.6
1.4
FeS
-10
-11
41
0.8
0.6
1.2
1.0
I / Distanza Eliocentrica (A.U-1)
Attilio Citterio
0.4
42
Speciazione degli Elementi
Universo
Terra
Crosta
Oceano
Atmosfera
Biosfera
H
77
He
21
O
0.8
C
0.3
Ne
Fe
35
O
29
Si
14
Mg
14
S
O
46.6
Si
29.5
Al
8.2
Fe
5.0
Ca
O
85.8
H
11
Cl
1.94
Na
1.05
Mg
N
75.5
O
23.2
Ar
1.3
C
-3
9.3·10
Ne
O
53
C
39
H
6.6
N
0.5
Ca
0.2
Fe
0.1
Si
2.9
Ni
2.4
Ca
2.1
Al
1.8
Na
0.3
P
0.2
3.6
Na
2.8
K
2.6
Mg
2.1
Ti
0.57
H
0.22
0.13
S
0.09
Ca
0.041
K
0.039
Br
0.007
C
0.003
1.3·10
Kr
-3
0.45·10
He
-6
72·10
Xe
-6
40·10
H
-6
23·10
S
-9
70·10
0.07
N
0.06
Mg
0.06
S
0.04
-3
Attilio Citterio
0.4
K
0.2
Si
0.1
P
0.1
Mg
0.1
S
0.07
Peter O'Neil.
Environmental Chemistry,
2nd Ed. 1993.
Variazioni nel Tempo dei Gas ad Effetto
Serra CO2 e CH4 (Atmosfera Terrestre)
(Fonte: Petit e al. Nature 1999)
Età (anni BP)
Attilio Citterio
43
44
Letture sull’Argomento
1. Hazen, R.M. (2010) The evolution of minerals. Scientific American 303, #3,
58-65.
Hazen, R. M. The Story of Earth: The First 4.5 Billion Years, from
Stardust to Living Planet, ISBN-13: 978-0670023554 , 2012, Ed. Penguin.
2.http://stephenschneider.stanford.edu/Publications/PDF_Papers/AllegreSHS.
pdf
3. 4. Allègre, Claude J. and S. H. Schneider, "The Evolution of the Earth,"
Scientific American, pp. 66-75, October 1994.
4. De Duve, Christian, "The Beginnings of Life on Earth," ," American Scientist,
Vol. 38, pp. 428-437, September 1995.
5. Kasting, James F., "Earth's Early Atmosphere," Science, Vol. 259, pp. 920926, 12 February 1993.
6. Lunine, Jonathan I, "Chemistry in the Outer Solar System," Chemical and
Engineering News, pp. 40-52, January 16, 1995.
7. Mason, Brian, "Principles of Geochemistry," 3rd Ed., John Wiley and Sons,
New York, NY, PP 8-65, 1966.
Attilio Citterio