Corso di Fisica della Terra e dell`Atmosfera Gaetano Festa

Corso di Fisica della Terra e dell’Atmosfera
Gaetano Festa
Sismologia : Fondamenti di elasticità : Cenni di cinematica e dinamica dei sistemi continui. Sforzo e
deformazione. Piccole deformazioni. Elasticità. Equazione dell’elastodinamica. Soluzioni piane
dell’elastodinamica nei solidi. Onde P ed S. Onde monodimensionali nel dominio del tempo e della
frequenza. Teorema di Lamè. Funzioni di Green in un mezzo omogeneo infinito . Teoria del raggio : Onde,
fronti, raggi. Elementi di geometria differenziale. Equazione iconale e del raggio. Formulazione
Hamiltoniana. Raggi in un mezzo a gradiente. Problema di Wiechert-Herglotz. Interpretazione delle sezioni
sismiche. Teoria del raggio in geometria sferica. Onde di superficie: Modelli di terra 1D e caratterizzazione
delle interfacce principali. Onde alle interfacce. Onde di Rayleigh. Onde di Love. Dispersione delle onde di
superficie: velocità di gruppo e velocità di fase. Tomografia a scala globale del mantello. Ridge oceanici,
zone di subduzione, plumes. Oscillazioni libere della Terra: Modi propri di una Terra liquida. Equazione di
Legendre. Funzioni associate di Legendre. Armoniche sferiche. Funzioni di Bessel sferiche. Diagrammi ω-l.
Oscillazioni di una sfera elastica. Discontinuità CMB. Proprietà del nucleo interno. (Appunti per la parte di
teoria, Capitolo 6 di Lay e Wallace per la parte di struttura della Terra)
Calore: Conduzione : Trasferimento di calore. Equazione della conduzione del calore di Fourier. Misure del
flusso di calore sulla superficie terrestre. Calore radiogenico. Concentrazione degli isotopi nel mantello e
nella crosta continentale. Modelli conduttivi per crosta continentale e mantello. Equazione della
conduzione dipendente dal tempo: skin depth. Raffreddamento/riscaldamento istantaneo. Raffreddamento
della litosfera oceanica. Geoterme per crosta continentale e litosfera oceanica. Convezione : Equazioni
fondamentali per la convezione. Condizioni per la convezione. Analisi di stabilità lineare per l’inizio della
convezione. Funzione stream. Numero di Rayleigh. Geoterme nel mantello. (Turcotte e Shubert; per la
conduzione 4-1, 4-2, 4-3, 4-4, 4-5, 4-6, 4-7, 4-8, 4-13, 4-15, 4-16; per la convezione 6-8, 6-9, 6-18, 6-19, 428).
Campo Magnetico Terrestre: Misure di campo magnetico terrestre. Campo magnetico in atmosfera e
sviluppo in armoniche sferiche. Energia del campo magnetico e relazione con la profondità della sorgenti.
Campo magnetico superficiale. Paleomagnetismo: magnetizzazione termico-rimanente, detriticorimanente, chimico-rimanente. Applicazioni del paleomagnetismo: inversioni del campo magnetico e
movimento dei continenti. Variazioni temporali del campo magnetico: la deriva occidentale. Il campo
magnetico profondo. Struttura termica del nucleo. Sorgenti del campo magnetico. Equazione
dell’induzione. Flusso congelato. Dinamo cinematiche: alpha e omega dinamo. Trasferimento di energia da
campo poloidale a toroidale e viceversa. Teoria del campo medio. Dinamo sperimentali. Modelli numerici
di dinamo dinamiche: cilindro tangente e cartridge belts. Età del nucleo interno (Appunti, Paleomagnetismo
da Gasparini e Mantovani; capitolo 8)
Tettonica a zolle: Margini delle placche. Modelli di Terra piatta. Poli di rotazione. Moto attuale delle
placche. Giunzioni triple. Moto relativo ed assoluto delle placche. (Fowler, capitolo 2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4.1,
2.6, 2.7)
Fisica dell’atmosfera: Composizione chimica dell’atmosfera. Gas serra. Aerosol. Cicli dell’ozono e
dell’anidride carbonica. Termodinamica dell’atmosfera. Variazione della pressione con la quota.
Temperatura e stratificazione. Budget energetico Terra-atmosfera. Radiazione solare e sue variazioni
spazio-temporali. Effetto serra e possibili implicazioni climatiche. Gradienti termici adiabatici DALR e SALR.
Stabilità dell’aria. Nubi e precipitazioni. Elettrificazione di nuvole.
Dinamica dell’atmosfera. Venti geostrofici. Effetto dell’attrito e spirale di Eckman. Variazione spaziale della
pressione in quota: onde di Rossby. Vento termico e jet stream. Pressione e venti in superficie. Modelli di
circolazione globale. (Atmosphere, Weather and Climate, Barry e Chorley, Capitolo 2: A, B1, C; Capitolo 3: A,
B, C, D, E. Capitolo 5: A,C,D,E,G. Capitolo 6: A, B3. Capitolo 7: A, C1.)
Metodi numerici: Equazioni differenziali alle derivate parziali lineari. Rappresentazioni degli operatori
differenziali alle differenze finite. Condizione di stabilità dell’equazione d’onda. Griglie sfalsate e operatori
differenziali centrati. Soluzioni dell’equazione dell’elastodinamica 2D P-SV in geometria cartesiana e sferica.
Condizioni di superficie libera. Rappresentazione di proprietà fisiche spazialmente variabili. Equazione Oneway e condizioni al contorno parassiali. Sismogrammi. (Appunti e tesine)