Onde sismiche per studiare la Terra

Onde sismiche per studiare la Terra
Come si può studiare la struttura interna della Terra dal momento che i sistemi tradizionali di indagine – per esempio le trivellazioni meccaniche – possono superare di poco i 10 kilometri
di profondità? La risposta è: analizzando il modo in cui si propagano le onde sismiche quando attraversano il nostro pianeta.
I sismologi si sono accorti infatti che i sismogrammi – i quali
1 Le onde sismiche
attraverso i differenti
materiali
Quando un’onda sismica si
propaga attraverso un materiale uniforme la direzione di pro-
pagazione è individuata da una
linea retta. Ciò non si verifica,
invece, quando l’onda sismica
attraversa materiali che abbiano proprietà fisiche differenti
(per esempio, diversa densità).
registrano l’arrivo delle onde sismiche che hanno attraversato
in ogni senso la Terra – possono essere letti come se fossero
delle «radiografie» del pianeta.
In altre parole, le onde sismiche portano con sé una serie di
informazioni sulla natura dei materiali che hanno attraversato,
sotto forma di variazioni della loro velocità di propagazione e
Il passaggio tra differenti materiali fa sì che le onde vengano
sia riflesse (tornino indietro), sia
rifratte (proseguano, ma cambiando direzione) e che la loro
velocità subisca una variazione.
QUESITI
1 Come varia la direzione di propagazione di un’onda sismica quando essa
passa da un materiale nel quale la velocità di propagazione è più lenta a
un materiale nel quale è più veloce?
α
onda
riflessa
α
β
Se l’onda sismica passa da un materiale nel quale la propagazione è più lenta a uno in cui è più veloce, la nuova
direzione di propagazione forma un angolo meno ampio
con la superficie di separazione tra i due materiali (β < α).
velocità di propagazione
(km/s)
sismiche (rilevate durante uno
stesso terremoto) in punti diversi della superficie terrestre.
Oltre allo studio delle onde
sismiche associate a terremoti
naturali, le informazioni sulla loro propagazione all’interno del
Quando raggiungono
il secondo involucro
le onde P rallentano
bruscamente
e le onde S
si arrestano
aP
Verso
il centro
della Terra
le onde P
tornano
a essere
veloci
ond
onda S
2000
3000
4000
profondità (km)
SCIENZE DELLA TERRA
5000
6000
6000
In un primo involucro
tutte le onde sismiche
aumentano
la velocità
1
più lenta
più veloce
2 La velocità delle onde
sismiche in profondità
Le stazioni sismiche sono dotate
di sismografi e orologi di grande
precisione. Con questi strumenti, si misurano e confrontano tra
loro i tempi di arrivo delle onde
1000
β
onda
rifratta
discontinuità
fra due materiali
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
α
β
Se l’onda sismica passa in un materiale che ne
riduce la velocità, la direzione di propagazione
forma un angolo più ampio con la superficie di
separazione tra i due materiali (β > α).
pianeta sono state ricavate anche
attraverso lo studio delle onde
sismiche generate da esplosioni
sotterranee (sismica artificiale).
Le informazioni sui tempi di
propagazione dei vari tipi di onde sismiche sono state utilizzate
per costruire dei diagrammi, i
quali mostrano come varia la velocità delle onde mano a mano
che aumenta la profondità alla
quale esse si spingono.
Se la Terra fosse costituita da
un solo tipo di materiale omogeneo, onde P e onde S si muoverebbero all’interno del pianeta,
tra l’ipocentro e uno qualunque
dei sismografi sparsi sulla superficie, lungo una linea retta, con
velocità costante.
Invece i percorsi delle onde P
all’interno della Terra non sono
rettilinei, ma curvi. Inoltre, la velocità sia delle onde P sia delle
onde S non è costante, ma varia
con la profondità.
– Le onde P accelerano con
l’aumentare della profondità fino a quasi la metà del raggio terrestre; se si spingono più in
profondità, rallentano all’improvviso; se vanno infine molto
in profondità subiscono una
nuova (minore) accelerazione.
– Anche le onde S accelerano
con l’aumentare della profondità fino a poco meno della metà
del raggio terrestre, dove si arrestano improvvisamente.
Tutto ciò fa concludere che il
pianeta non sia omogeneo ma
strutturato in strati di natura diversa.
QUESITI
1 Cosa si può dire della struttura
del pianeta studiando i tempi di
propagazione delle onde sismiche?
LEGGI L’IMMAGINE
2 Come varia la velocità di propagazione delle onde P con l’aumentare della profondità?
Lupia Palmieri, Parotto, Saraceni, Strumia, Scienze naturali © 2011, Zanichelli editore S.p.A.
della direzione delle loro traiettorie. La velocità delle onde sismiche dipende infatti dal mezzo in cui esse si propagano. Inoltre, quando attraversano la superficie di separazione tra due
materiali differenti, la loro traiettoria subisce un improvviso
cambiamento di direzione rispetto al percorso originale.
Grazie alle informazioni ricavate dallo studio dei dati sismici,
oggi sappiamo che la Terra è formata da involucri concentrici,
che sono costituiti da materiali che differiscono per densità e per
lo stato fisico in cui si presentano (solido o fluido).
3 Gli involucri terrestri
Vi sono dunque alcuni livelli di
profondità, all’interno della Terra, in corrispondenza dei quali
le onde sismiche cambiano improvvisamente direzione. Associando questa informazione a
quelle relative alla velocità delle
onde, si è dedotto che il nostro
pianeta al suo interno non sia
uniforme, ma formato da involucri concentrici, con diverse caratteristiche chimiche e fisiche.
Questi tre involucri – crosta,
mantello e nucleo – sono separati da superfici chiamate superfici
di discontinuità sismica, perché
in loro corrispondenza le onde
sismiche vengono deviate.
La crosta è l’involucro più
superficiale. È separato da quello sottostante dalla superficie di
Mohorovičic´ (o Moho), localizzata a una profondità variabile
tra una media di 6-7 km sotto
gli oceani e di 35 km sotto i
continenti.
Il mantello è un involucro che
si estende per migliaia di kilometri al di sotto della crosta. La sua
parte più superficiale è solida,
ma poco al disotto – tra 70 e 250
km di profondità – una parte del
mantello (chiamata astenosfera)
si comporta come se fosse parzialmente fusa: qui, infatti, le onde sismiche rallentano.
Il mantello continua fino a
2900 km di profondità, dove è
separato dall’involucro sottostante tramite la superficie di
Gutenberg.
Anche l’esistenza del nucleo
è stata messa in evidenza attraverso lo studio della propagazione delle onde sismiche. Gli studiosi, infatti, hanno scoperto che
per ogni terremoto esiste una zona della superficie terrestre (tra
씰 VEDI ANCHE…
ATTIVITÀ
Unità T6 • PARAGRAFO 1:
Un pianeta fatto a strati
La deviazione
dei raggi luminosi
Animazione
Le onde sismiche P e S e le onde
superficiali: schemi di propagazione
[2:07]
Per visualizzare il fenomeno della deviazione delle onde sismiche quando attraversano materiali di diversa natura, osserva
cosa accade alla luce nel passaggio da una sostanza a un’altra.
Riempi d’acqua una bacinella,
immergici per metà una riga di
plastica e appoggia la sua estremità sul bordo.
Animazione
Studiare la Terra con le onde
sismiche [3:02]
11 000 e 16 000 km circa dall’epicentro) che non viene raggiunta dalle onde sismiche dirette. Si
tratta della zona d’ombra.
L’esistenza della zona d’ombra suggerisce che le onde P siano fortemente deviate dal loro
percorso originale a causa della
presenza di un materiale di natura diversa da quello in cui si stavano propagando (nel mantello).
Dato inoltre che le onde S non
possono propagarsi nei fluidi, si è
dedotto che il nucleo, nella parte
esterna, sia fluido. Ancora di più
in profondità, dal nucleo esterno
si passa al nucleo interno: essi sono separati dalla superficie di Lehmann, posta a 5170 km dalla superficie della Terra. Dall’aumento di velocità delle onde sismiche
si deduce che il nucleo interno sia
solido.
QUESITI
씰 È l’effetto della rifrazione
della luce: la deviazione dei
raggi luminosi quando attraversano due mezzi differenti:
1 Quali caratteristiche presentano
gli involucri dai quali è formato il
nostro pianeta?
LEGGI L’IMMAGINE
l’ ......................
2 Che cosa avviene quando le onde
P raggiungono il nucleo esterno
della Terra?
Le onde P, quando raggiungono la superficie di Gutenberg,
sono deviate e rallentate dai materiali (fluidi) del nucleo esterno
e tornano a emergere dopo aver «saltato» una fascia di superficie.
ipocentro
씰 Come appare la riga?
......................
e l’ ...........................
Le onde S quando raggiungono la superficie
di Gutenberg non riescono a propagarsi nei
materiali del nucleo esterno e si arrestano.
ipocentro
N
cleo
nu
90°
103°
103°
no
nucleo
interno
90°
90°
ester
N
90
103
103°
zona
d’ombra
delle
143° onde P
zona
d’ombra
delle
onde P 143°
S
zona
d’ombra
delle
onde S
S
180°
Più in profondità, le onde P incontrano la superficie di Lehmann e sono
reindirizzate dai materiali del nucleo interno (solidi) verso la superficie (sono le
uniche a cadere nella zona d’ombra, in ritardo e con minore energia).
ipocentro
ipocentro
⫹
zona
d’ombra
delle onde P
zona
d’ombra
delle onde S
Lupia Palmieri, Parotto, Saraceni, Strumia, Scienze naturali © 2011, Zanichelli editore S.p.A.
ipocentro
⫽
somma delle
zone d’ombra
P⫹S
U N I T À T5• I fenomeni vulcanici e sismici
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