Scuola estiva di Astronomia di Saltara 24/06/2013
L'evoluzione del
pianeta Terra
1
Ph.D. Cristian Carli
[email protected]
2
Ph.D. Cristian Carli – IAPS-INAF
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Geologia:
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È la scienza che comprende lo studio della Terra solida, le rocce
di cui è composta e i processi per i quali le rocce si modificano.
Iniziò nell’antica Grecia quando Theophrastus (372-287 a.c.) scrisse il Peri
Lithon. I romani iniziarono a catalogare alcune differenze dei materiali e Plinio
il vecchio scrisse in dettaglio alcune descrizio di molti minerali e metalli in uso
e inoltre descrisse correttamente l’origine dell’ambra.
Ph.D. Cristian Carli – IAPS-INAF
3
Le scienze planetarie (o planetologia) è lo studio scientifico dei pianeti
(inclusa la Terra), delle lune, e dei sistemi planetari, in particolare quelli
del sistema solare e i processi che li formano.
Un campo interdisciplinario
* astronomia
* scienze terrestri
• astronomia planetaria,
• geologia planetaria
(insieme a geochimica
e geofisica),
• studi dell’atmosfera,
• oceanografia,
• idrologia,
• scienze planetarie
teoriche,
• glaciologia,
• pianeti extrasolari.[1]
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Geologia planetaria o
planetologia:
4
NASA definition:
“Life is a system able to self-maintain + selfreplicate, …” [see 2, 3 and references therein]
Condizioni affinché se presente la vita possa mantenersi e ad
un certo punto innescarsi
Queste condizioni si potrebbero presentare su pianeti di
caratteristiche diverse
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Che cos’è la vita?
5
Vedi lezione successiva del prof. Gallori E.
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NASA definition:
“Life is a system able to self-maintain + selfreplicate, and capable of undergoing Darwinian
evolution” [see 2, 3 and references therein]
Condizioni affinché la vita possa, una volta innescata,
mantenersi e svilupparsi fino a forme molto evolute
Queste condizioni si potrebbero presentare su pianeti con
caratteristiche simili alla Terra
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Che cos’è la vita?
6
Vedi lezione successiva del prof. Gallori E.
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Il pianeta con il nome sbagliato…
7
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Il pianeta con il nome sbagliato…
Ice-planets
Brrrrrrrrrr
Brrrrrrrrrr
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Distanze tra 20
e 40 UA
Temperature
tra -150° e
-210°C
troposfera
8
Molto freddo
Credi by NASA
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Il pianeta con il nome sbagliato…
The Giants-planets
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Wooooow
Distanze
tra 5 e
10 UA. Dimensioni tra 9 e 11
volte il raggio
terrestre
9
….
Credi by NASA
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Il pianeta con il nome sbagliato…
Red-Earth
Distanze tra 0.3 (Mercurio) e 1.5 (Marte) UA
densità tra 5.427 g/cm3 e 3.9335 g/cm³
Hot-Earth
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ohh
Terra!
10
….
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Il pianeta con il nome sbagliato…
Che nubi!
Air/clouds-planet
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Distanze 0.7 UA
Pressione atmosferica
9.2 Mpa e temperatura
superficiale 462 °C
11
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Il pianeta con il nome sbagliato…
Acquaaa!!
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H2O planet
Distanze a 1.0 UA
Distese d’acqua
superficiali = 71%
Abbondanza in
atmosfera di ca. 1%
12
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La vita su di un pianeta…
presenza d’acqua
Presenza di volatili durante la formazione
dei pianeti H2Ovapore e C, …
Formazione di specchi d’acqua (early
oceans)
Mantenimento dell’acqua nell’atmosfera,
importante «greenhouse» gas
presenza di un sistema genetico
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Condizioni fondamentali:
13
presenza di una fonte di energia
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La vita su di un pianeta…
È la misura del potenziale di un pianeta o satellite naturale di ospitare e
sostenere la vita. [4]
La NASA la definisce come la “extended regions of liquid water,
conditions
favourable for the
assembly of complex organic
molecules,
and energy sources to sustain
metabolism[4]”.
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Planetary habitability – Abitabilità planetaria
14
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La vita potrebbe svilupparsi su di un pianeta/satellite o arrivare da
un altro corpo (panspermia) [5,6].
La Terra è il punto fermo da cui si sono estrapolati i presupposti
per studiare le condizioni dove potrebbe esserci la vita e definire
una zona di abitabilità:
legata a
•
•
•
•
•
Caratteristiche della stella
La composizione totale
Alle caratteristiche dell’orbita
All’atmosfera
Alle interazioni chimiche potenziali
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La vita su di un pianeta…
15
Caratteristiche di pianeti che potrebbero ospitare la vita:
• Pianeti terrestri con una massa di ± 1 volta di quella
terrestre
• Orbita e rotazione devono permettere una minima
variazione termica e una stagionalità
• Geochimica: è in genere assunto che la vita necessiti
delle stesse fondamenta biochimiche viste sulla Terra,
poiché C, H, O, e N, sono gli elementi chimici reattivi
più comuni nell’universo
• Micro-ambienti nella definizione di abitabilità solo
una sottile porzione del pianetà è necessario supporti la
vita.
La definizione di «Estremofili», organismi che resistono
in condizioni molto estreme ha allargato il bacino di
condizioni di abitabilità negli ultimi anni [7]
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La vita su di un pianeta…
16
La vita su di un pianeta…
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Evoluzione del pianeta:
legata a fattori «geologici»
• Raffreddamento della crosta
• Differenziazione
• Formazione di un atmosfera e dei mari
• Evoluzione Termica del pianeta
• Evoluzione della crosta tettonica delle placche –
vulcanismo – processi di weathering – variazioni climatiche
17
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La vita di un pianeta…
Planetesimi si aggregano
La superficie di un pianeta è molto calda e
tendenzialmente fusa (plastica)
Inizia una fase di raffreddamento
importante che porta alla formazione
della crosta primaria.
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• 1) Raffreddamento della crosta
Modelli di Magma Ocean [8]
18
Luna
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La vita di un pianeta…
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• 2) Differenziazione
Nei primissimi «anni» di un pianeta
terrestre si forma
anche un processo di
differenziazione
verso il suo interno
19
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La vita di un pianeta…
3) Formazione di un atmosfera e dei mari
Nel nostro sistema solare oltre alla Terra
presentano un atmosfera: Venere, Giove e
Saturno, Urano e Nettuno,
inoltre le lune: Io, Callisto, Europa,
Ganimede (Giove); Titano ed Encelado
(Saturno) Titania (Urano) e Triton (Nettuno),
Molto deboli sono presenti su Marte e
Plutone, mentre un esosfera è presente su
Mercurio.
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•
20
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La vita di un pianeta…
L’evoluzione Termica è direttamente legata alla
differenziazione nelle prime fasi.
Dipende inoltre da come il calore accumulato può
essere dissipato e dalla composizione, in
particolare dalla presenza di elementi radiogenici
che favoriscono un ulteriore contributo di calore.
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• 4) Evoluzione Termica del pianeta
21
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La vita di un pianeta…
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• 5) Evoluzione della crosta tettonica delle placche –
vulcanismo – weathering – variazioni climatiche
22
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La vita di un pianeta…
Erosione
Weathering chimico
Weathering fisico
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• 5) Evoluzione della crosta tettonica delle placche –
vulcanismo – weathering – variazioni climatiche
23
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La vita su di un pianeta dipende
dalla vita del pianeta…
24
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Geologia…
Datazione:
Eone
Era
Periodo
assoluta
Datazione radiometrica:
Sfrutta la conoscenza dell’abbondanza e
del costante tempo di dimezzamento di
isotopi radioattivi
Epoca
Età
Cronozona
relativa
Permette di ordinare gli eventi
mettendoli in relazione.
La presenza di alcuni marker
permette di correlare eventi analoghi
in posti diversi
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Geological Time Scale GTS è il sistema di cronologia che relaziona la
stratigrafia al tempo International Commission on Stratigraphy [9]
25
Geologia…
Magmatiche
Metamorfiche
Sedimentarie
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Rocce:
26
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Geologia…
Tettonica a placche: è la scienza che studia il movimento della
Deriva dei continenti / Espansione degli oceani
1596 profili dei continenti opposti
sull’Atlantico
1895 l’uso della radioattività e del calore
messo
1915 Wegner iniziò a teorizzarla (The Origin of
Continents and Oceans)
Accettata da ca. 1950
Eventi sismici, vulcanismo,
paleomagnetismo tutte conferme a
questa Teoria
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litosfera terrestre.
27
Geologia…
Motti convettivi nel mantello:
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Un movimento lento di
trasporto del calore
terrestre all’interno del
mantello, legato a celle
convettive (primario) o
a plume (secondario)
Margini divergenti
Margini convergenti
Margini trasformi
28
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La vita della Terra…
29
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La vita della Terra…
23/10/4004 a.c.
Nascita della Terra
Ore 9:00
Seguendo precisi calcoli effettuati
studiando attentamente la Bibbia
Seguirono altri calcoli, ma i conti di Ussher, ripotati nel
«Annales Veteris Testamenti, a prima mundi origine deducti»
sono quelli che maggiormente vengono considerati anche dai
Creazionisti
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James Ussher 4/01/1581 – 21/03/1656
30
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Per studiare la storia della Terra, come si fa studiando la storia di una vita o di un
popolo, serve un orologio, ovviamente i minuti della terra sono molto lunghi
L’ «infanzia» della Terra, il periodo di
cui abbiamo meno informazioni dirette,
è fondamentale per la vita.
L’Haden, dalla formazione a circa 3.93.8 *109 e l’Archeano da 3.9-3.8 *109 a
2.5 *109.
A fine Precambriano 500 *106 la Terra
era già «adolescente» con oceani e
continenti, la crosta primaria già
modificata e la crosta secondaria e
terziaria già presenti.
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La vita della Terra…
31
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La vita della Terra…
32
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Fin dai greci, nella nostra cultura, si è iniziato a parlare del nostro
pianeta in termini «geologici», ma non prima di un secolo dopo i
calcoli di Ussher si iniziò a trovare un metodo per approfondire lo
studio dell’età della Terra, e solo negli anni ’50 del secolo scorso si
datò l’età simile a quella che è oggi largamente riconosciuta.
Ad oggi datiamo la Terra:
Il minerale più antico è dato:
Zircone da Jack Hills in Western Australia
4.54 * 109 [10,11]
4.404 * 109 [12,13]
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La vita della Terra…
33
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La vita della Terra …
34
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La vita della Terra…
Circa i primi 600-700 milioni di età
Hades with Cerberus (Heraklion
Archaeological Museum) - King of the
underworld - God of the Dead and
Riches
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Haden (Pre-Archeano):
35
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La vita della Terra…
In questo eone importanti eventi hanno interessato la Terra ma solo
poche informazioni sono rimaste registrate sulla superficie
Le età della Luna per suddividere l’Adeano:
• Pre-Nectarian, dalla formazione della Luna a 3.92*10 9
• Nectarian fino a circa 3.85*10 9 quando il Late Heavy Bombardment,
era in forte diminuzione.
Recentemente è stata fatta una
nuova proposta [14]:
dove si sono considerati singoli
ritrovamenti per definire queste
età, future scoperte sono state
lasciate per una migliore
suddivisione.
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Haden (Pre-Archeano):
36
La vita della Terra…
Poche rocce sono state datate
come pre-archeane
Western Greenland,
Northwestern Canada,
Western Australia
I più vecchi minerali datati sono
precedenti a 4.0*109 anni
Dei sedimenti in Greenland, datati
3.8*109 includono dei Banded Iron
Bed (orizzonti ferriferi a bande BIF), che contengono del carbone
organico, che fa supporre che una
vita fotosintetica poteva già essere
presente [15]
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Haden (Pre-Archeano):
37
La vita della Terra…
Studi recenti su alcuni zirconi
hanno evidenziato che acqua
liquida poteva già essere
presente a 4.4 * 109 [16]
Nel 2008 un altro studio su
zirconi Australiani dimostrò che
rocce dell’ Hadean contengono
minerali che potrebberò aver
subito deformazioni legate
all’esistenza della tettonica a
placche già 4.0 * 109.[17,18]
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Haden (Pre-Archeano):
38
La vita della Terra…
Una certa quantità di acqua doveva
essere presente nel materiale che
formò la Terra [19]
Atmosfera
Un atmosfera ricca di rocce vaporizzate
si formò e condensò in poche migliaia di
anni con la formazione di una calda
(230°C) (con CO2, H, H2Ovapore).
Durante il raffreddamento la CO2 si
disciolse negli oceani, sottratta
all’atmosfera[20] Ciclo del Carbonio
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Haden (Pre-Archeano):
39
Evoluzione simile potrebbe aver
caratterizzato anche Venere.
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La vita della Terra…
Atmosfera
Poiché il Sole era più debole di oggi [21],
la giovane Terra poteva anche essere
interessata da grandi glaciazioni.
Condizioni favorevoli all’intrappolamento
dell’H2O nonostante i forti e frequenti
impatti che avvenivano in quel periodo.
Alternanza di Tempi glaciali e Tempi
infernali
Venere più vicina al Sole avrebbe
probabilmente avuto in quel periodo
condizioni più miti, più favorevoli, ma
questo potrebbe aver favorito
maggiormente la perdita del vapore
acqueo a seguito degli impatti[22].
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Haden (Pre-Archeano):
40
La vita della Terra…
Atmosfera
La presenza di un altro tipo di atmosfera è stato teorizzato, considerando
ammonia e metano come greenhouse gasses [22].
Ma atmosfere prebiotiche
così riducenti sembrano
improbabili in un ambiente
di lave e materiale
mantellico, eiettato dagli
impatti, fortemente
ossidato [22].
Venere poteva avere oceani liquidi e presenza di una CO2 greenhouse, ma
disperdendo più H nello spazio, mentre su Marte una atmosfera a CO2 ±
CH4/NH3 poteva essere presente [22]
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Haden (Pre-Archeano):
41
Archeano
4.0 *109
E’ la data ufficialmente riconosciuta come l’Inizio,
l’Origine, dal greco antico Αρχή (Arkhē)
E’ suddiviso in 4 Ere:
•
•
•
•
Eo-archeano
Paleo-archeano
Meso-archeano
Neo-archeano
Queste ere sono datate cronologicamente, nessuna
stratigraficamente.
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La vita della Terra…
42
La vita della Terra…
Archeano
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Eo…
Late Heavy Bombardment [23]
Formazione della prima crosta
differenziata
Inizialmente potevano ancora
esistere grandi campi lavici non
completamente solidificati
Quasi certamente erano
presenti anche i primi «oceani»
43
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La vita della Terra…
Archeano
Prove:
3.80*109 Issua Belt SW Greenland
4.03*109 Acasta Gneiss, Canadian Shield
4.28*109 Nuvvuagittuq greenstone Belt N Québec, in
Canada [24], recentemente scoperta e ancora
sotto attente investigazioni.[25]
Ipotesi Formulata:
Esistenza di un supercontinente già in questa Era:
“Vaalbara” [26]
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Eo…
44
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La vita della Terra…
Archeano
La presenza di arricchimenti in 13C nei
carbonati inorganici presenti nelle rocce,
potrebbe essere relazionato al 12C
estratto dalla biosfera
In rocce del SW Greenland, light carbon è
stato ritrovato in inclusioni carbonacee in
apatiti [27].
Rocce sedimentarie di Isua, SW Greenland,
contengono minuti globuli di grafite con un
19‰ di 13C [28].
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Eo…
45
La vita della Terra…
Archeano
Prove di questo periodo si trovano nei pochi cratoni molto
antichi:
A circa 3.0*109 viene ricostruito
la presenza del primo super
continente certo, l’Ur [29].
Le rocce eruttate hanno una
composizione ultrabasica e più
magnesiaca delle attuali, infatti in
questa era sono datate molte delle
komatiiti, rocce che caratterizzano
lave molto fluide [30].
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Paleo/Meso…
46
La vita della Terra…
Archeano
Le poche evidenze legate a questa fase inducono
due diverse ipotesi:
1) una tettonica più vigorosa e
quindi un più veloce riciclo della
crosta, poiché la Terra era più
calda [31].
2) litosfera oceanica doveva
essere ancora galleggiante per la
subduzione e quindi i processi
erosivi furono i primi [31].
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Paleo/Meso…
47
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La vita della Terra…
Paleo/Meso…
Rocce di circa 3.5*109 evidenziano strutture
(fossili?) associabili anche con origine
biologica [32,32a,33].
Carbonati a 3.5*109 sono isotopicamente
simili a quelli attuali, tale caratteristica può
essere spiegata solo con l’attività biologica
(ad es. la produzione di ossigeno da
fotosintesi) [34,35].
Altre evidenze si trovano in rocce da 3.3-2.5
*109 in S.Africa e in W.Australia [36,37,38].
Rocce con microstrutture carbonacee che
possono essere di origine biologica, inoltre
micro-fossili sono noti in depositi
volcanogenici a solfuri nel W.Australia,
indice di vita nei ridges medio oceanici nel
MesoArcheano [39,40]. Ph.D. Cristian Carli – IAPS-INAF
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Archeano
48
La vita della Terra…
Neo…
In questo periodo si ha la formazione
del supercontinente Kenorland [41]
Circa 2.78 * 109 un intenso magmatismo
sottomarino (komatiiti) portò alla
formazione di questo continente[41,42].
L’attività idrotermale produsse elevate
quantità di mineralizzazioni a solfuri e le
Banded iron formation, in un bacino
d’arco anossico, seguito da eventi
orogenici con la messa in posto di
granitoidi (2.68*109).
Seguirono collisioni con altre terre
emerse come il cratone di Kaapvaal, e lo
Zimbabwe.
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Archeano
49
La vita della Terra…
Archeano
Un ultimo importante evento da
segnalare in questa era è l’inizio
della «oxygen catastophe» [44]
La nuova attività dei cianobatteri
porta a produrre per la prima volta
ossigeno e porta alla catastrofe di
molte delle forme di vita esistenti
che erano di tipo anossico
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Neo…
50
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La vita della Terra…
Le Terre emerse alla fine di questo eone erano principalmente il
supercontinente Kenorland
Le rocce sono vulcaniche, principalmente effusive, a composizione
komatiitica, molto fluide, basso contenuto di Si e alto contenuto di
Mg, sono stati rinvenuti depositi sedimentati che indicano la
presenza di continenti, processi di orogenesi potevano già essersi
formati come indicato da alcune rocce granitiche
La presenza di questi depositi ci indicano che molti dei processi
geologi «secondari» come l’erosione e la deposizione
funzionavano già in modo analogo ai giorni nostri
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Archeano
51
La vita della Terra…
La presenza dei processi di weathering simili ad oggi è fondamentale,
la loro presenza è legata alla formazione dei Clay minerals
minerali delle argille fillosilicati
The “Mineral Honeycomb” [45]
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Archeano
52
La vita della Terra…
Il vulcanismo, spesso submarino, presenta molti depositi di
solfuri massivi e o formazioni ferrose, indicandoci che si
trovavano condizioni molto anossiche [46]
Fossili, soprattutto le
stromatoliti [47], ci indicano la
presenza della vita.
La tettonica a placche che
certamente dominerà la storia del
nostro pianeta nel suo futuro (dal
proterozoico ai giorni nostri) iniziò
sicuramente in questo eone [48]
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Archeano
53
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La vita della Terra…
Deriva dal greco e significa la “vita degli inizi” o il “primo vivente”
E’ l’eone che va da 2.5*109 a 0.542 *109
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Proterozoico:
54
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La vita della Terra…
•
•
•
inizia con la formazione di catene
legate a collisioni continente-continente
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Proterozoico:
2.1-2.0 Ga (Ga = billion year)
Transamazonian and Eburnean Orogens in
South America and West Africa;
~2.0 Ga Limpopo Belt in southern Africa;
1.9–1.8 Ga Trans-Hudson, Penokean,
Taltson–Thelon, Wopmay, Ungava and
Torngat orogens in North America,
Nagssugtoqidain Orogen in Greenland;
Kola–Karelia, Svecofennian, VolhynCentral Russian, and Pachelma Orogens in
Baltica (Eastern Europe); Akitkan Orogen
in Siberia; Khondalite Belt and TransNorth China Orogen in North China
Che porta alla formazione nel Paleo-Mesoproterozoico
del supercontinente "Columbia" o "Nuna“ [49,50]
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55
La vita su di un pianeta…
Proterozoico:
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Dal Mesoproterozoico iniziamo ad avere
parecchie tracce ancora intatte (rocce)
In questa era si forma il supercontinente Rodinia [51],
con la formazione della catena montuosa legata al
Greenville Orogeny, di cui ancora oggi abbiamo
molte evidenze (Scozia e NW America)
Da quest’era lo sviluppo di placche continentali e
della tettonica a placche è certa [52], e alla sua
fine le placche continentali erano ± quelle che
conosciamo ai giorni nostri [53]
56
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La vita su di un pianeta…
Rodinia si trova a cavallo dell’equatore, e a circa 1.0 *109 inizia un
intensa attività.
Fratture (rift) si aprono e iniziano a spezzare il continente in diverse
lande.
La posizione di questi
continenti è stata invocata
come una possibile causa del
principale evento geologico
che si è ripetuto in questo
periodo: le glaciazioni [54].
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Proterozoico:
57
SnowBall Earth in
Cryogenian [55].
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Evidenze
paleontologiche legate
alla rotazione terrestre
suggeriscono che
1.8*109 un anno era di
circa 450 giorni, con
giorni che dovevano
essere di 20 ore [56].
Dall’inizio di quest’era si hanno
evidenze della presenza dei primi
eucarioti (crown eukariotes)
evoluti dai procarioti [57].
A circa 1*109 l’ultimo precursore
comune si divide tra ciliati e
flagellati
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Proterozoico:
58
Proterozoico:
Un altro importante aspetto è
l’accumulo dell’ossigeno [58].
Non appena S e Fe furono ossidati, l’ossigeno iniziò ad arricchirsi in
atmosfera.
A circa 1.9*109 cessò la
formazione delle BIF
Red beds sono uno dei «marker»
che ci indicano l’incremento
sensibile dell’ossigeno [59].
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2FeOOH (goethite)→ Fe2O3 (hematite) +H2O; Fe2SiO4 (fayalite) + O2 → Fe2O3 (hematite) + SiO2 (quartz);
Ph.D. +
Cristian
3O2 + 4FeS2→ Fe2O3 (hematite) + 8S ; O2 + 4FeCO3 → 2Fe2O3 (hematite)
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Fanerozoico:
60
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Fanerozoico:
540*106
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Fanerozoico:
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La vita della Terra…
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http://www.youtube.com/watch?v=KCzXOxeY-60&feature=player_detailpage
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