L.M. “FISICA del SISTEMA TERRA”

L.M. “FISICA del
SISTEMA TERRA”
A.A. 2012/13
LM -17 Classe Fisica
Lista 1 (caratterizzanti)
36 CFU
tutti i corsi prevedono 6 cfu
Corsi nei SSD FIS/06, GEO/10, GEO/12
Fondamenti di Geofisica 1 - I sem
Fondamenti di Geofisica 2 (6 cfu) - II sem
Geodesia 1 (6 cfu) – I sem
Laboratorio di Geofisica Numerica - I sem
Laboratorio di Geofisica 1 – I sem
Segue Lista 1 (caratterizzanti)
Meteorologia dinamica – I sem
Oceanografia Fisica - II sem
Sismologia Teorica – II sem
Strato Limite Planetario e Diffusione
Turbolenta – I sem
Trasferimento radiativo – II sem
Lista 2 e 3 (ambiti Fisica sperimentale e Applicata)
Corso a scelta FIS/01 o FIS/07 (6 cfu)
«Laboratorio di Fisica dell’Atmosfera»
II sem
Corso a scelta FIS/03 o FIS/04 (6 cfu)
solo per ex FAM
«Fisica della Materia e della radiazione»
(I sem)
Lista 4 – Affini e Integrativi 18 cfu
tutti i corsi prevedono 6 cfu
SSD GEO/10
Fisica del Vulcanismo - I sem
Geodesia 2 – II sem
Laboratorio di Geofisica 2 – II sem
Sismologia – I sem
Tettonofisica – I sem (consigliato al 2° anno)
Tomografia Sismica – I sem (consigliato al 2°
anno)
Segue Lista 4
SSD CHIM/02
– Chimica Fisica della Stratosfera – II sem
SSD MAT/07
– Fisica Matematica – I sem
– Modelli e Metodi Num. per la Fisica – II sem
Corsi a libera scelta (12 cfu)
– possibile 1 solo corso da 12 cfu in Ateneo
– previa approvazione CdS
Idoneita` lingua Inglese B (6 cfu)
Prova finale (36 cfu)
– Attivita` Propedeutica (10 cfu)
– Tesi di LM (26 cfu)
Le discipline geofisiche
Geomagnetismo
Fisica del Vulcanismo
Geotermia
Fisica dei Maremoti
Gravimetria
Sismologia
Geodesia
Tettonofisica
Climatologia
Oceanografia
Meteorologia
Fisica dell’atmosfera
Glaciologia
Dipartimento di Fisica
Università di Bologna
Il sistema Terra
Il pianeta Terra è costituito da diverse parti che interagiscono tra loro producendo numerosi
fenomeni fisici.
La Fisica della Terra quindi deve comprendere molte discipline, ciascuna interessata a
fenomeni diversi, o studiati (tradizionalmente) da punti di vista diversi.
Per capire molti dei processi che avvengono nel Sistema
interagire con le altre e con le “geoscienze” in generale.
Il campo magnetico
terrestre è studiato
soprattutto da
Geomagnetismo,
il campo gravitazionale
terrestre da
Gravimetria
rotazione
pressione
atmosferica
rim
pos balzo
t -g
laci
terremoti t
ale
ett
o
nic
vulcani
co n
aa
vez
pla
ion
ed
cch
el
e
ma
nte
a
i
llo
graf
topo nucleo
Crosta
del
Mantello
Nucleo Nucleo
Interno Esterno
o
iscos
nto v
e
m
o
m
nto
mome netico
g
roma
elett
correnti oceaniche
e maree
venti
maree luni-solari
acque continentali
I processi che
avvengono
nell’atmosfera terrestre
sono studiati soprattutto
da:
Fisica dell’Atmosfera
Climatologia
Meteorologia
Terra, ogni disciplina deve
carico degli oceani
scioglimento dei ghiacciai
Il sistema Terra-acqua
è studiato soprattutto
da:
Oceanografia
Fisica dei Maremoti
Glaciologia
L’interno della Terra è
studiato soprattutto da:
Geodesia
Sismologia
Tettonofisica
Fisica del Vulcanismo
Geotermia
Esempi di fenomeni che richiedono
un approccio integrato fra le varie
discipline:
Un terremoto al di sotto dei fondali oceanici genera
onde di “tsunami”, che viaggiano a velocita ~ 700
km/h sui bacini oceanici, ma rallentano e aumentano
di ampiezza in prossimita` delle coste.
Le precipitazioni atmosferiche interagiscono con il
suolo e la capacita` di questo di drenare le piogge e`
cruciale per valutare l’impatto di forti precipitazioni.
Le variazioni climatiche determinano il progressivo
scioglimento delle calotte glaciali, che a sua volta
determina complesse variazioni del livello marino, a
causa della risposta isostatica del pianeta, che
coinvolge il mantello terrestre.
Variazioni climatiche e loro
interazione con il Pianeta
aumento Tatm (effetto serra CO2 … non solo!)
aumento vapore
modifica nuvolosità
feedback positivo o negativo ?
aumento Tmare
aumento livello marino
scioglimento calotte glaciali
Variazioni
complesse del livello marino
Feedback su T atm e T marina
Alcuni dati sul Livello marino
… e prima?
… ma occorre un intervallo di tempo più lungo
… eppure in Scandinavia e
Nord America il livello del
mare è sceso di oltre 300 m
nel corso degli ultimi 20,000
anni !!!
La spiegazione e` legata alla natura “fluida” del
mantello terrestre.
Il “post-glacial rebound”
Mostra inequivocabili proprietà viscose per il mantello:
il suo studio coinvolge le seguenti discipline/ osservazioni
Glaciologia
Climatologia
Geodesia
Erosione costale
Datazioni radiometriche e fossili
Stima di Viscosità del mantello: 1021 Pa s
Che relazione c’è fra scioglimento
dei ghiacci e livello marino?
Se si sciogliessero tutte le calotte glaciali,
verrebbe immesso negli oceani uno spessore
d’acqua di ~ 120 m.
Ma il livello marino crescerebbe di soli
80 m a causa del riaggiustamento isostatico.
Il livello del mare è (in buona approssimazione)
una superficie equipotenziale [geoide].
Ma la ridistribuzione delle masse d’acqua altera
il campo di gravità e quindi il geoide.
L’equazione del “sea level” e` quindi piuttosto
complicata ...
A model of present-day mass change due to post-glacial rebound and the
reloading of the ocean basins with seawater. Blue and purple areas indicate rising
due to the removal of the ice sheets. Yellow and red areas indicate falling as
mantle material moved away from these areas in order to supply the rising areas,
and because of the collapse of the forebulges around the ice sheets
Al termine dell’ultima era
glaciale (20,000 anni fa)
gran parte della Finlandia
era un arcipelago di isolette,
il mar baltico era molto piu`
esteso. Tracce di spiagge
fossili si trovano a quote di
330 m sopra l’attuale livello
del mare!
Viceversa, in Italia, le foci
del Po erano all’altezza di
Ancona!
Esigenza di continuo confronto
fra dati e modelli
La teoria dell’isostasia di Airy (1857) spiegava le
“anomalie” gravimetriche in termini di “radici” delle
catene montuose, dotate di bassa densità rispetto
alle rocce circostanti: crosta “rigida” e mantello
“fluido”.
Ai primi del 1900 Mohorovicic scopre una
discontinuità nella velocità delle onde sismiche a
circa 30 km di profondità che scende a 50-60 km
sotto le catene: la “crosta” di Airy esiste davvero!
… ma il mantello non è fluido: le onde S lo
mostrano inequivocabilmente
Le eterogeneità determinano innumerevoli riflessioni e rifrazioni: dalla
complessità dei sismogrammi si può risalire alla complessità del
mezzo attraversato.
Nuovi modelli debbono essere elaborati
per spiegare osservazioni “strane”
Solidi elastici, fluidi viscosi e “solid state creep”: la
fisica dello stato solido spiega il paradosso “solidofluido” per il mantello.
Ma allora, nel mantello “solido” può verificarsi
convezione ? come possiamo verificarlo?
– Moto delle placche tettoniche
– Tomografia sismica
– Geotermia
Anche l’età di continenti e oceani è
molto diversa: Età continenti > 109 anni
Età oceani ~ 108 anni
Le anomalie magnetiche ci
hanno fornito un metodo di
misura dell’eta` della crosta
oceanica, basato selle
inversioni del campo
magnetico terrestre nel
corso del tempo:
L’ultima inversione e`
avvenuta 700 mila anni fa.
Rocce ignee magnetizzate
in direzioni opposte
testimoniano l’epoca di
“solidificazione”.
Dall’età possiamo risalire alla velocità di espansione dei fondali oceanici
La tomografia sismica
rivela “bassa” velocità
in corrispondenza
delle zone divergenti
(dorsali oceaniche) e
“alta” nelle zone
convergenti (fosse)
zone + calde e
+ fredde?
Moti convettivi
ascendenti sotto le
dorsali?
Ma l’evidenza fornita
dal flusso di calore è
molto più esplicita
(misure + facili nei
fondali oceanici che in
terraferma!)
Misure del flusso di calore mostrano valori elevati in corrispondenza
delle dorsali oceaniche.
Le ipotesi formulate per spiegare le
osservazioni debbono essere testate in modo
quantitativo tramite l’impiego delle equazioni
della fisica e di modelli matematici.
Diversamente dalla Fisica “Galileiana” non e`
possibile replicare a piacimento un evento
(passaggio di un fronte meteorologico, terremoto,
tsunami o eruzione vulcanica).
Inoltre, non e` possibile fissare a piacimento le
condizioni iniziali e al contorno.
Infine, molti parametri che governano l’evoluzione
del nostro Pianeta sono inaccessibili alla
osservazione diretta.
Conseguenze
epistemologiche:
Importanza dei modelli in Fisica della Terra:
ogni nuovo evento/osservazione è testato
tramite i migliori modelli disponibili.
I modelli matematici in Fisica della Terra
assumono il ruolo dell’esperimento nella Fisica
Galileiana: l’assioma di riproducibilità riguarda la
capacità di un modello di spiegare nuovi dati e
osservazioni; pertanto è necessario saper
descrivere le “relazioni costitutive” dei vari
materiali che compongono il pianeta ed inserirle
nelle leggi fondamentali della Fisica.
Importanza del “problema inverso” in Geofisica:
tramite i modelli possiamo risalire ai valori dei
parametri fisici che descrivono regioni site a
profondita` inaccessibili all’osservazione diretta,
partendo da osservazioni fatte in superficie.
Analogamente, tecniche di “remote sensing”
consentono di monitorare lo stato dell’atmosfera,
degli oceani e della superficie terrestre tramite
osservazioni dallo spazio o da terra.
Necessità di reti globali di misura: il monitoraggio
dell’attività geodinamica, sismica, meteorologica,
climatologica, oceanografica … è una impresa
necessariamente internazionale.
Misurare in superficie osservabili che, secondo
modelli fisici, dipendono dalle proprietà
dell’interno inaccessibile.
– Un esempio banale:
g = 9.8 ms
−2
e I = 0.33Ma
2
ci dicono che al centro della Terra ci sono
materiali molto più densi che nelle regioni
esterne; già prima dell’avvento delle tecniche
sismologiche era noto che al centro della Terra
ci deve essere un NUCLEO molto denso,
presumibilmente costituito di Ferro.
In conclusione (… perché bisogna concludere …)
Studiare il nostro Pianeta è un compito affascinante e a
volte ricco di sorprese.
Per gestire correttamente il pianeta:
– è indispensabile, in primo luogo, monitorare lo stato e la
dinamica del pianeta (atmosfera, oceani, litosfera);
– è altrettanto necessario conoscere la struttura del
pianeta, talvolta inaccessibile all’osservazione diretta.
– Questi studi ci consentono di valutare i “Rischi”
connessi ai fenomeni naturali, di fare previsioni a
breve, medio e lungo termine sulla evoluzione del
Pianeta, di correggere errori di programmazione.
– Ma questi studi ci consentono anche di utilizzare a
nostro vantaggio le tante risorse che il Pianeta ci offre:
le cosidette “energie rinnovabili” (solare, eolica,
geotermica …)
Tempi di transito delle onde primarie e percorsi dei raggi
sismici
La distinzione fra continenti e
oceani è fondata su basi più
importanti del semplice “livello del
mare”:
piattaforme continentali ~ granito
fondali oceanici ~ basalto.