Presentazione di PowerPoint

Tano Cavattoni, Fabio Fantini, Simona Monesi, Stefano Piazzini
Dall’Universo
al Pianeta azzurro
T. Cavattoni, F. Fantini, S. Monesi, S. Piazzini - dall’Universo al Pianeta azzurro - © Italo Bovolenta editore
Capitolo 9
L’interno della Terra
Al di sotto del suolo setoso, di tutta la crosta scricchiolante,

molto più in profondità dell’oceano, passate le rocce che
soffrono con altre rocce, lì, nell’oscurità più profonda del
globo, nelle sue lussuriose viscere, riesci a sentire il grugnire
e lo sferzare del magma che si solleva e si rimescola?
ROBERT PENN WARREN
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Capitolo 9
L’interno della Terra
Dentro la Terra
Conoscenze dirette
Densità della Terra
Analogie con altri corpi del sistema solare
Temperatura e profondità
Campo magnetico e interno della Terra
Lezione 23
§9.1
§9.2
§9.3
§9.4
§9.5
L’indagine sismologica
Onde sismiche e interno della Terra
La zona d’ombra
Lezione 24
§9.6
§9.7
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Capitolo 9
L’interno della Terra
Struttura stratificata della Terra
Crosta, mantello e nucleo
La zona a bassa velocità
Litosfera e astenosfera
Il principio di isostasia
Geoterma
Flusso di calore
Lezione 25
§9.8
§9.9
§9.10
§9.11
§9.12
§9.13
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§9.1
Conoscenze dirette
Raccogliere informazioni dirette sull’interno della
Terra non è possibile se non entro uno strato
superficiale di appena 12 km.
Infatti:
• i più profondi pozzi minerari arrivano alla
profondità di 4 km;
• le caverne più profonde arrivano a 2 km;
• le perforazioni più profonde arrivano a 12 km.
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§9.1
Conoscenze dirette
Rispetto alle
dimensioni della Terra
(il raggio terrestre
misura oltre i 6370 km),
pozzi minerari, grotte e
trivellazioni
raggiungono una
profondità del tutto
trascurabile.
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§9.2
Densità della Terra
È possibile conoscere in modo indiretto la
composizione e la struttura interna della Terra.
Per questo è necessario studiare alcune
caratteristiche fisiche del nostro pianeta come:
• la densità;
• la temperatura;
• il campo magnetico.
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§9.2
Densità della Terra
La densità media della Terra è nettamente superiore
alla densità delle rocce superficiali, perciò l’interno
della Terra deve essere formato da materiali più
densi.
La densità può aumentare all’aumentare della
pressione.
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§9.2
Densità della Terra
Si stima che al centro della Terra la pressione sia tra
3,5 e 4 milioni di volte maggiore della pressione
atmosferica.
Le elevatissime pressioni interne alla Terra non sono
la causa prima delle elevate densità interne.
All’interno della Terra le elevate densità sono dovute a
variazioni della composizione dei materiali presenti.
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§9.3
Analogie con altri corpi del
sistema solare
Le meteoriti sono
frammenti di materia
extraterrestre che talvolta
attraversano l’atmosfera
e cadono sulla Terra.
Le meteoriti forniscono
informazioni sulla
possibile composizione
dei materiali interni
della Terra.
La meteorite di Hobe, scoperta in Namibia,
è la più grande del mondo. Pesa 66
tonnellate; è composta da ferro (82%),
nichel (16%), cobalto (1%) e altri elementi
(1%).
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§9.3
Analogie con altri corpi del
sistema solare
Le meteoriti sono di tre tipi:
• meteoriti rocciose formate da silicati, soprattutto
mafici;
• meteoriti ferrose formate da una lega di ferro e
nichel;
• meteoriti roccioso-ferrose formate sia da silicati
che da ferro e nichel.
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§9.3
Analogie con altri corpi del
sistema solare
Se assumiamo che le meteoriti rappresentano un
campione della composizione dei pianeti terrestri,
anche la Terra dovrà essere composta da silicati e
da una lega metallica di ferro e nichel.
Poiché i silicati si trovano abbondantemente nello
strato più esterno della Terra, la lega di ferro e nichel
non può che trovarsi in profondità.
Ciò spiegherebbe perché la densità della Terra è
molto più elevata di quella dei materiali presenti
sulla sua superficie.
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§9.4
Temperatura e profondità
La temperatura terrestre aumenta di circa 2,7°C ogni
100 m con la profondità, anche se in modo non regolare.
Aumento della temperatura con la profondità nella galleria del Sempione.
Durante i lavori ci fu l’attraversamento di zone in cui la temperatura raggiungeva 45°C.
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§9.4
Temperatura e profondità
L’incremento di temperatura, espresso in °C, che si
registra ogni 100 m di profondità è definito gradiente
geotermico.
Il gradiente geotermico non è costante, altrimenti il
centro terrestre arriverebbe a 170.000 °C e la Terra
esploderebbe in una nube di gas.
L’interno terrestre è molto caldo (4000/4500°C), ma
le rocce, che in superficie fonderebbero a 1000 °C,
in profondità subiscono l’effetto delle elevate
pressioni che ostacolano la fusione.
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§9.5
Campo magnetico e interno
della Terra
La Terra si comporta
come una gigantesca
calamita.
Come una calamita
genera un campo
magnetico, così la
Terra genera il campo
magnetico terrestre.
Il campo magnetico di una calamita viene
rivelato dagli allineamenti disegnati da
limatura di ferro sparsa su un foglio di carta.
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§9.5
Campo magnetico e interno
della Terra
Un campo magnetico è
descritto da linee di forza
(un ago magnetizzato è
sempre parallelo alle linee
di forza) che confluiscono
nei poli del magnete.
Le linee di forza del
campo magnetico
terrestre confluiscono
nei poli magnetici
terrestri.
I poli magnetici terrestri
formano un angolo di
circa 11° con i poli
geografici.
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§9.5
Campo magnetico e interno
della Terra
Al di sopra dei 600 °C le sostanze magnetiche
perdono le loro proprietà; a causa delle alte
temperature, nessun magnete può essere presente
all’interno della Terra.
Il campo magnetico terrestre può dipendere solo dalla
presenza in profondità di un flusso di correnti
elettriche.
Il denso nucleo di ferro e nichel, in grado di condurre
la corrente elettrica, giustifica la presenza del campo
magnetico terrestre.
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§9.6
Onde sismiche e interno della
Terra
Lo studio della propagazione delle onde sismiche P
e S (onde di volume) fornisce informazioni decisive
per la comprensione della struttura e della
composizione dell’interno terrestre.
In un mezzo omogeneo le onde P e S viaggiano in
linea retta e a velocità costante.
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§9.6
Onde sismiche e interno della
Terra
Passando da un mezzo ad un altro le onde
subiscono una rifrazione, cambiano cioè la loro
direzione e la loro velocità di propagazione.
La superficie che separa i due mezzi è detta
superficie di discontinuità.
La velocità delle onde è tanto maggiore quanto più
rigido ed elastico è il mezzo.
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§9.6
Onde sismiche e interno della
Terra
Un’onda sismica che attraversa una superficie di
discontinuità subisce una rifrazione.
La rifrazione provoca un allontanamento
dalla perpendicolare nel punto di
rifrazione, se nel secondo mezzo l’onda si
muove più velocemente.
La rifrazione provoca un avvicinamento
dalla perpendicolare nel punto di
rifrazione, se nel secondo mezzo l’onda
diventa meno veloce.
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§9.6
Onde sismiche e interno della
Terra
Se la velocità di propagazione delle onde
sismiche fosse sempre costante, il fronte
d’onda si propagherebbe lungo una retta.
La rifrazione causata dal cambiamento
delle caratteristiche del mezzo di
propagazione con la profondità
determina una propagazione curvilinea
del fronte d’onda.
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§9.6
Onde sismiche e interno della
Terra
L’analisi sismologica evidenzia che le onde sismiche giungono ai sismografi posti in
diverse località seguendo traiettorie curve.
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§9.7
La zona d’ombra
Quando si verifica un
terremoto, le onde P e
S non si rilevano tra gli
11.000 e i 16.000 km di
distanza dall’epicentro.
La fascia di superficie
terrestre compresa tra
11.000 e 16.000 km
dall’epicentro è detta
zona d’ombra.
La zona d’ombra registrata a seguito di un
terremoto avvenuto in Giappone.
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§9.7
La zona d’ombra
Oltre la zona d’ombra si rilevano solo le onde P.
La zona d’ombra è causata da una superficie di
discontinuità che provoca forti deviazioni delle onde.
La mancanza di onde S oltre la zona d’ombra è dovuta
alla presenza di materiale fuso oltre la superficie di
discontinuità.
A differenza delle onde P che possono attraversare
solidi, liquidi e gas, le onde S si propagano solo
all’interno di mezzi solidi.
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§9.7
La zona d’ombra
La presenza di una zona d’ombra per le
onde P compresa fra 11.000 e 16.000 km
dall’epicentro può essere spiegata con la
deviazione che le onde P subiscono nel
passaggio a un mezzo di propagazione
meno rigido all’interno della Terra.
La maggiore estensione della zona
d’ombra delle onde S rispetto a quella
delle onde P indica che le onde S non si
propagano nel mezzo di propagazione
meno rigido all’interno della Terra.
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§9.8
Crosta, mantello e nucleo
La superficie di discontinuità responsabile della zona
d’ombra segna il passaggio dalle rocce silicatiche ai
materiali ferrosi, si trova ad una profondità di 2.900
km ed è chiamata discontinuità di Gutenberg.
Le discontinuità sono state individuate perché in loro
corrispondenza si verificano repentini cambiamenti
delle velocità di propagazione delle onde sismiche.
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§9.8
Crosta, mantello e nucleo
Le variazioni di velocità delle onde sismiche hanno
evidenziato l’esistenza di altre due superfici di
discontinuità.
La prima è la discontinuità di Mohorovičić, detta in
breve Moho, che si trova, internamente alla porzione
silicatica, alla profondità media di 30 km.
La seconda è la discontinuità di Lehmann che si
trova, internamente alla porzione ferrosa, alla
profondità di 5100 km.
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§9.8
Crosta, mantello e nucleo
Le tre discontinuità dividono l’interno della Terra in
gusci concentrici:
• la crosta, il guscio più esterno di silicati felsici e
mafici;
• il mantello, il guscio intermedio di densi silicati
ultramafici;
• il nucleo ferroso esterno fuso;
• il nucleo ferroso interno solido.
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§9.8
Crosta, mantello e nucleo
L’interno della Terra,
sulla base del
comportamento delle
onde sismiche, è
suddiviso in crosta,
mantello e nucleo.
La crosta ha spessore
medio di 30 km; il
mantello arriva fino a
2.900 km di profondità;
il nucleo, che occupa lo
spazio restante, è
suddiviso in una parte
esterna liquida e una
parte interna solida.
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§9.8
Crosta, mantello e nucleo
La crosta può essere di due tipi:
• crosta continentale di composizione felsica, in
corrispondenza dei continenti;
• crosta oceanica di composizione mafica, in
corrispondenza dei fondi oceanici.
La Moho è più profonda in corrispondenza dei
continenti e più superficiale in corrispondenza degli
oceani.
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§9.8
Crosta, mantello e nucleo
L’andamento della Moho è irregolare e riflette in modo quasi simmetrico l’andamento
della superficie terrestre. Infatti, la crosta è più spessa in corrispondenza delle aree
continentali e, in particolare, delle catene montuose, mentre è più sottile in
corrispondenza dei fondali oceanici.
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§9.8
Crosta, mantello e nucleo
Il mantello costituisce il 67% della massa terrestre.
Esso è formato da silicati ultramafici ed ha una
densità di circa 3,4 kg/dm3.
La roccia più abbondante del mantello è la peridotite.
Il nucleo esterno liquido è formato da ferro e nichel e
da altri elementi come silicio, ossigeno e zolfo.
Il nucleo interno solido è formato da ferro.
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§9.9
La zona a bassa velocità
Le onde P e S, quando si propagano nel mantello,
subiscono un rallentamento a partire dai 100 km di
profondità fino a circa 200 km.
Si tratta della zona a bassa velocità.
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§9.9
La zona a bassa velocità
La discontinuità di Mohorovičić è
evidenziata da un brusco aumento
della velocità.
La velocità poi cresce con
sostanziale regolarità nel mantello.
Fa eccezione lo spessore compreso
fra le profondità di 100 e 200 km, in
cui la velocità delle onde sismiche
diminuisce.
Velocità di propagazione delle onde S nel
mantello.
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§9.9
La zona a bassa velocità
Per la particolare combinazione di temperatura e
pressione, le rocce dello strato a bassa velocità
sono molto vicine alla fusione e possono contenere
piccole quantità di materiale fuso.
Piccoli aumenti della temperatura o diminuzioni della
pressione rendono possibile la fusione delle rocce
con produzione di magmi e lave.
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§9.10
Litosfera e astenosfera
La presenza della zona a bassa velocità dimostra
che le differenze interne possono riguardare la
composizione ma anche le proprietà meccaniche
dei materiali presenti.
Dalla superficie fino alla profondità di 100 km i
materiali hanno un comportamento rigido.
Questo strato esterno rigido che comprende la
crosta e la parte superiore del mantello è chiamato
litosfera.
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§9.10
Litosfera e astenosfera
Lo strato compreso tra i 100 km e i 200 km di
profondità viene chiamato astenosfera.
Esso, a differenza della litosfera, è formato da
materiali particolarmente plastici, perché molto vicini
alla fusione.
Lo strato del mantello che si trova al di sotto della
astenosfera è chiamato mesosfera.
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§9.10
Litosfera e astenosfera
La Terra può essere suddivisa in strati
concentrici, in base a due criteri.
Seguendo il criterio della
composizione chimica, si possono
distinguere crosta, mantello e nucleo.
Seguendo il criterio delle proprietà
meccaniche, abbiamo litosfera,
astenosfera, mesosfera e nucleo.
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§9.11
Il principio di isostasia
Blocchi di legno di diverso spessore posti in acqua
ricevono una spinta idrostatica verso l’alto tanto
maggiore quanto maggiore è il volume d’acqua
spostato (principio di Archimede).
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§9.11
Il principio di isostasia
Il legno che ha
maggiore spessore
emerge di più e nello
stesso tempo è più
sprofondato rispetto a
quello meno spesso.
Due blocchi di legno si dispongono a
diverse altezze sulla superficie del liquido:
quanto più alta è la parte che emerge,
tanto più i blocchi affondano nell’acqua.
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§9.11
Il principio di isostasia
Il principio di isostasia afferma che i blocchi
crostali galleggiano sul materiale sottostante a
causa di una spinta analoga a quella idrostatica.
Se la crosta si appesantisce si spinge verso il basso;
se la crosta si alleggerisce tende a sollevarsi.
La Moho è poco profonda sotto gli oceani e molto
profonda sotto i continenti.
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41
§9.11
Il principio di isostasia
(A), per il principio di isostasia le parti
più rilevate sono anche più
sprofondate negli strati sottostanti.
(B), per effetto dell’erosione le aree
montuose si alleggeriscono mentre
per effetto della sedimentazione i
bacini si appesantiscono.
(C), un nuovo equilibrio isostatico è
raggiunto con movimenti verticali,
verso l’alto nelle aree montuose e
verso il basso in quelle dei bacini di
sedimentazione.
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42
§9.11
Il principio di isostasia
La regione scandinava è oggi
interessata da spinte verticali che
la sollevano di circa un centimetro
all’anno.
Fino a 10.000 anni fa la penisola
era gravata da uno spessore di
oltre 3.000÷4.000 metri di
ghiaccio.
Le linee chiuse collegano i punti
nei quali si è avuto lo stesso
sollevamento negli ultimi 5.000
anni.
Lo scioglimento dei ghiacci è un
processo rapidissimo dal punto di
vista geologico (3.000÷ 4.000
anni), mentre la risposta isostatica,
il sollevamento della crosta, è
molto più lenta.
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43
§9.12
Geoterma
Esperimenti di laboratorio permettono di determinare
le temperature di fusione dei materiali terrestri alle
diverse pressioni e pertanto alle diverse profondità.
È possibile costruire una curva detta geoterma, che
rappresenta l’andamento della temperatura
all’interno del pianeta.
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44
§9.12
Geoterma
L’incremento di
temperatura diminuisce
con la profondità, cioè la
temperatura aumenta
sempre più lentamente,
fino a stabilizzarsi nelle
zone più profonde.
Tra le profondità di circa
100 e 200 km la
geoterma e la curva del
punto di fusione corrono
molto vicine.
A quelle profondità, i
materiali del mantello
sono molto vicini al
punto di fusione e si
comportano in modo
plastico.
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45
§9.13
Flusso di calore
La superficie della Terra è continuamente
attraversata da un flusso di calore, grazie al quale
è lentamente dispersa l’energia interna del pianeta.
L’energia dispersa mediamente in 1 anno da 1cm2 di
superficie è di 50 calorie e corrisponde allo 0,02% del
calore che riceviamo dal Sole.
Il calore interno ha duplice origine:
• in parte è il residuo del calore immagazzinato dal
pianeta ai primordi della sua formazione;
• in parte è il prodotto della radioattività naturale delle
rocce.
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46
§9.13
Flusso di calore
Il calore solare non supera
lo strato di rocce più
esterne.
Il flusso del calore interno
che attraversa la superficie
è la somma del calore
fossile e di quello prodotto
dalle rocce radioattive.
Il diverso spessore delle
frecce indica la variazione
del flusso di calore a causa
dell’isolamento termico,
dovuto alla bassa
conducibilità delle rocce
attraversate.
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47
§9.13
Flusso di calore
Il flusso di calore varia da luogo a luogo.
I valori più bassi della media si rilevano nelle aree
geologicamente stabili.
I valori più alti della media si rilevano nelle regioni
geologicamente attive.
L’Italia è un’area geologicamente giovane e instabile
che presenta flusso termico elevato con picchi
notevoli nelle regioni tirreniche.
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48
§9.13
Flusso di calore
Temperature registrate alla profondità
di 2.000 metri dalla superficie.
L’Italia è una regione in cui il flusso di
calore è in media superiore al
normale, in particolare nelle aree sede
di attività vulcanica e in quelle che lo
sono state in un passato
geologicamente recente.
È evidente che l’area tirrenica della
Toscana e del Lazio è una regione
che «scotta».
In bianco le aree non campionate.
(Rielaborata da una carta del CNR).
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