Un cuore cubico per la Terra

Capitolo 16
L’interno della Terra
Capitolo 17
La tettonica delle placche
Capitolo 18
I fondi oceanici
e i margini continentali
Capitolo 19
Le montagne e la loro formazione
la ricerca
Un cuore cubico per la Terra
S
e pensiamo al nucleo della Terra, viene
spontaneo immaginarlo di forma sferica. In effetti, il “cuore” del nostro pianeta è da tempo descritto proprio come una
sfera di 1200 km circa di raggio, costituita
per la maggior parte da ferro. Le cose, però, potrebbero stare diversamente.
Da alcuni anni, infatti, un gruppo di
ricercatori svedesi propone un nuovo
modello teorico, secondo cui il nucleo
terrestre assomiglierebbe piuttosto a un
cubo. Il modello è sostenuto da una serie
sempre più convincente di osservazioni
sperimentali e simulazioni al computer,
riportate in vari articoli pubblicati sulle
riviste “Nature” e “Science” da Börje
Johansson e colleghi, dell’Università di
Uppsala.
A mettere in dubbio l’ipotesi tradizionale sulla forma del nucleo della Terra sono stati anzitutto i risultati di alcuni esperimenti condotti con le onde sismiche,
utilizzate come “strumento” per indagare la struttura interna del pianeta. Quello
che ci si aspettava nel caso di una forma
sferica del nucleo – e, di conseguenza, di
una massa omogenea – era che le onde
si propagassero in modo uniforme in tutte le direzioni. Al contrario si è osservato
che le onde viaggiano più velocemente
lungo una direzione parallela all’asse di
rotazione che lungo una direzione parallela al piano equatoriale.
Proprio per spiegare questa anomalia Johansson e colleghi hanno proposto
un modello alternativo di nucleo: a variare sarebbe in particolare la struttura
cristallina assunta dagli atomi di ferro al
suo interno. Secondo l’ipotesi tradizionale, infatti, gli atomi sarebbero disposti in
una struttura di tipo esagonale compatto,
mentre per Johansson sarebbero disposti
in una struttura cubica “a corpo centrato”,
con otto atomi ai vertici di un cubo e un
ulteriore atomo al centro. Se si assume
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Unità
6
Un modello globale
che il cubo sia ripetuto nello spazio e sia
disposto con la diagonale maggiore lungo
l’asse di rotazione terrestre, quella che si
ottiene è una struttura fortemente orientata, con proprietà differenti nelle diverse
direzioni.
Una delle prove più consistenti a favore di questo modello è venuta da alcune
simulazioni effettuate con i più potenti supercomputer a disposizione. In pratica, i
ricercatori hanno riprodotto al computer
la propagazione delle onde sismiche in
diversi tipi di cristalli di ferro, scoprendo
così che era proprio il ferro con struttura
cubica “a corpo centrato” a determinare
una propagazione analoga a quella osservata nella realtà.
I risultati di ques ti esperimenti
virtuali sono apparsi all’inizio del 2008
su “Science”, a dimostrazione che le
simulazioni sono oggi tra gli strumenti di
indagine più potenti e versatili in molte
discipline scientifiche.
Ulteriori spunti di ricerca
e approfondimento a pagina 305
# In che modo lo studio
delle onde sismiche
consente di indagare
la struttura interna del
nostro pianeta?
# Qual è la relazione tra
le caratteristiche della
superficie terrestre e la
composizione dell’interno
della Terra?
I capitoli di questa unità ti aiuteranno
a rispondere a queste domande.
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In questo capitolo
La struttura interna della Terra e lo studio
delle onde sismiche
16.1
Gli strati della Terra
16.2
L’andamento della temperatura
all’interno della Terra
16.3
La struttura tridimensionale della Terra
e il campo magnetico terrestre
16.4
Se immaginassimo
di tagliare la Terra a
metà come un frutto,
in senso orizzontale nella
vita sul nostro pianeta. Per
composizione e nella
indagare le caratteristiche
temperatura dei materiali.
degli strati più profondi della
ci accorgeremmo
facilmente che è divisa
in strati distinti. I materiali
Le rocce delle porzioni
Terra è necessario ricorrere
più esterne sono in costante
a metodi indiretti: come lo
movimento e passano dalla
studio delle onde sismiche,
più pesanti, cioè i metalli,
superficie agli strati interni
dei minerali e del campo
si trovano al centro, le rocce,
più profondi. Inoltre, parte
magnetico terrestre. Nel loro
più leggere a metà,
dell’acqua e dei gas che
insieme, tutti questi diversi
i materiali allo stato liquido
costituiscono gli oceani e
campi di studio ci descrivono
e gassoso (oceani
l’atmosfera provengono
la Terra come un pianeta
e atmosfera) all’esterno.
dall’interno della Terra, e
dinamico, vario e complesso
All’interno di ciascuno
sono proprio quelli che hanno
che continua a cambiare
strato esistono variazioni
consentito l’origine della
e a evolvere nel tempo.
Le parole chiave
astenosfera asthenosphere
geoterma geotherm
mantello mantle
crosta continentale
gradiente geotermico
nucleo core
continental crust
crosta oceanica oceanic crust
flusso di calore heat flow
geodinamo geodynamo
geothermal gradient
inversione del campo magnetico
magnetic field reversal
litosfera lithosphere
tomografia sismica
seismic tomography
zona di transizione
transition zone
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16
Capitolo
L’interno
della Terra
16.1 La struttura interna
della Terra e lo studio
delle onde sismiche
La struttura interna dei pianeti, e quindi anche della Terra, è
legata ai processi che hanno portato alla loro formazione.
Per effetto della gravità, gli elementi più pesanti, come il
ferro, si trovano nel nucleo, la parte più interna dei pianeti,
le rocce costituite da elementi più leggeri vanno a formare le
parti intermedie, chiamate mantello e crosta, mentre i gas
formano l’atmosfera (Figura 16.1A, parte destra della sezione,
a pagina seguente). Un altro effetto della gravità sono le variazioni di densità. La densità infatti cambia non solo passando da uno strato all’altro, ma anche all’interno dello stesso
strato perché, se sottoposti a grandi pressioni, i materiali si
comprimono. Una roccia con la composizione chimica del
mantello superiore, sulla superficie terrestre presenta una
densità di circa 3,3 g/cm5; nella parte più interna del mantello, la stessa roccia ha una densità quasi doppia, pari a 5,6
g/cm5. L’incremento di densità è dovuto in parte all’aumento
della pressione, che causa la riduzione di volume degli atomi,
in parte a cambiamenti di fase mineralogica, dovuti alla riorganizzazione delle strutture di alcuni minerali.
◾ Onde sismiche per “vedere”
l’interno della Terra
Il modo migliore per studiare l’interno della Terra sarebbe
quello di compiere indagini dirette, cioè scavare un foro ed
esaminare direttamente gli strati profondi. Sfortunatamente
questa tecnica si può applicare soltanto alla parte più superficiale del pianeta. La perforazione più profonda mai realizzata si è spinta fino a 12,3 km di profondità, circa 1/500 del
raggio terrestre. Anche questo risultato è però da considerarsi straordinario date le alte pressioni e temperature che si
incontrano man mano che si scende in profondità.
Le indagini che consentono di ricavare il maggior numero di informazioni sulla struttura della Terra sono indagini
geofisiche indirette, che si basano sullo studio della propagazione delle onde sismiche all’interno della Terra. Ogni
anno infatti si verificano 100-200 terremoti abbastanza forti
(M W >6 circa) da produrre onde sismiche che vengono registrate dai sismografi di tutto il mondo. In particolare vengono studiate la velocità di propagazione delle onde sismiche
e la loro direzione: proprio perché l’interno della Terra non
è omogeneo, le onde sismiche non viaggiano a velocità costante e non seguono percorsi rettilinei, ma subiscono varie
riflessioni, rifrazioni e diffrazioni.
La velocità delle onde sismiche dipende da due diversi
fattori: la densità e le proprietà elastiche (rigidezza, compressibilità) delle rocce in cui si propagano. Le proprietà elastiche
sono influenzate dalla temperatura.
A parità di composizione, le onde sismiche si propagano più velocemente nelle rocce più rigide e meno comprimibili, quindi a temperature inferiori, mentre all’aumentare
collegamenti
Secondo l’ipotesi più
accreditata, descritta
nel Capitolo 6, il
Sistema Solare ha
avuto origine a partire
da una nebulosa
primordiale formata
da polveri e gas,
che per contrazione
gravitazionale ha dato
origine al protosole
e in un secondo
momento ai pianeti,
per aggregazione
e stratificazione
dei materiali.
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un modello globale
idrosfera
(liquida)
atmosfera
(gassosa)
crosta
oceanica
litosfera
(solida
ed elastica,
spessa
100 km)
mantello
superiore
crosta
continentale
stratificazione
in base
alle proprietà
fisiche
litosfera
astenosfera
(solida ma
plastica)
su
Earth’s Interior
o)
id
mantello inferiore
(solido)
mantello
(rocce ad alta densità)
nucleo
esterno
(liquido)
nucleo
(ferro + nichel)
m
nucleo interno
(solido)
5150
k
289
0
ma
nt
ell
o
Figura 16.1 La struttura interna stratificata della Terra.
A La parte destra della sezione mostra i tre
strati in cui può essere suddiviso l’interno
della Terra sulla base delle differenze nella
composizione chimica: crosta, mantello e
nucleo. La parte sinistra illustra i sei strati
principali della Terra, suddivisi in base
alle proprietà fisiche, e quindi anche alla
resistenza meccanica: crosta, mantello
inferiore, nucleo esterno e nucleo interno.
B Il disegno in alto a sinistra mostra un
ingrandimento degli strati superiori della
Terra.
lezione multimediale
crosta
(rocce a bassa
densità, spessore
da 7 a 70 km)
m
0k
660 km
▶ FORCES WITHIN
stratificazione
in base
alla composizione
chimica
9
28
zona di transizione
660 km
410 km
B
ol
(s
km
6
pe
rio
re
250 UNITÀ
63
71
km
A
della temperatura la roccia diventa meno rigida, e le onde
sismiche rallentano. Inoltre, la velocità aumenta con la profondità e quindi la traiettoria delle onde sismiche assume
un andamento curvilineo (Figura 16.2) a causa di continue
deviazioni.
Le onde che si propagano all’interno della Terra vengono deviate nel loro corso in diversi modi: esse vengono ri-
flesse dalle superfici che separano i diversi strati; vengono
rifratte (cambiano cioè la loro direzione) quando passano da
uno strato all’altro; vengono infine diffratte intorno a ogni
ostacolo che incontrano. Come vedremo tra breve, proprio
questi diversi comportamenti delle onde sono stati utilizzati per identificare le superfici di discontinuità esistenti
all’interno della Terra.
terremoto
Il paragrafo in breve
▶ Figura 16.2 La traiettoria delle
onde sismiche. Questa
sezione del mantello
terrestre mostra alcune
delle traiettorie (raggi
sismici) che le onde
sismiche prodotte da
un terremoto possono
seguire. Le traiettorie
sono curve (a causa
della rifrazione) e non
rettilinee perché nel
mantello la velocità
delle onde sismiche
aumenta con la
profondità, a causa del
concomitante aumento
di pressione.
mantello
nucleo esterno
nucleo
interno
1. La Terra, come gli altri pianeti,
ha una struttura stratificata ed è divisa in
# nucleo
# mantello
# crosta
2. La gravità determina anche l’aumento
di densità dall’esterno verso l’interno,
per un aumento della pressione
3. Si può studiare l’interno della Terra
# mediante la velocità delle onde sismiche,
che dipende da
– composizione delle rocce
– profondità
– proprietà elastiche (che dipendono
dalla temperatura)
# mediante la direzione di propagazione delle
onde sismiche, influenzata da processi di
– riflessione
– rifrazione
– diffrazione
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CAPITOLO 16 l’interno della terra 251
mantello
superiore
zona
di transizione
astenosfera
0
410
660
1000
onde P
onde S
litosfera
◀ 2000
mantello
inferiore
3000
profondità
(km)
4000
nucleo
esterno
5000
onde S
2
4
nucleo interno
Figura 16.3 La velocità delle onde sismiche
all’interno della Terra. Questa sezione
illustra i diversi strati della Terra e la
velocità media delle onde P e delle
onde S al variare della profondità. Le
onde S forniscono informazioni sulla
rigidità del materiale attraversato: il
nucleo interno è meno rigido rispetto
al mantello mentre nel nucleo esterno,
che è allo stato liquido, le onde S non si
propagano.
6000
6
8
10
velocità (km/s)
16.2 Gli strati della Terra
Il confronto tra i dati ricavati dallo studio delle onde sismiche
e quelli ottenuti grazie allo studio delle proprietà fisiche dei
minerali ha permesso di costruire un modello attendibile della struttura stratificata dell’interno della Terra. Conoscendo
il comportamento di diversi tipi di rocce alle pressioni corrispondenti a diverse profondità, i geologi sono risaliti alla composizione della crosta terrestre, del mantello e del nucleo. La
Figura 16.1A (parte sinistra della sezione) e la Figura 16.1B illustrano il modello di struttura definito in base al comportamento
tipico dei materiali. La Figura 16.3 riporta l’andamento della
velocità delle onde sismiche in funzione della profondità.
La crosta continentale
Mentre la crosta oceanica ha caratteristiche quasi uniformi
in tutti gli oceani, la struttura e la composizione della crosta
continentale variano da una regione all’altra. Lo spessore
medio della crosta continentale è di 40 km, anche se può raggiungere i 70 km in alcune aree montuose. La velocità delle
onde sismiche nella crosta continentale è molto variabile e
sismografo
2
sismografo 1
terremoto onda diretta
sismografo
3
onda rifratta
Moho
A
terremoto
sismografo 1
onda diretta
sismografo
2
sismografo
3
onda rifratta
Moho
B
terremoto
sismografo 1
sismografo
sismografo
3
2
onda diretta
onda
rifratta
Moho
C
La crosta oceanica
I modelli dedotti dallo studio delle onde sismiche indicano
per la crosta oceanica uno spessore medio di 7 km. Nella crosta oceanica la velocità delle onde P è di 5-7 km/s e la densità
è di circa 3,0 g/cm5, valori che si accordano con quelli ricavati
sperimentalmente per basalti e gabbri.
14
indica una grande disomogeneità nella composizione delle
rocce che la costituiscono. In generale, comunque, la densità
delle rocce dei continenti è di circa 2,7 g/cm5, un valore molto
inferiore a quello della crosta oceanica e del mantello.
◾ La crosta terrestre
Procedendo dalla superficie verso l’interno la prima discontinuità nell’andamento della velocità delle onde sismiche corrisponde alla superficie di separazione tra la crosta terrestre e
il mantello, chiamata discontinuità di Mohorovičić, o più
brevemente Moho, dal nome del sismologo croato Andrija
Mohorovičić (1857-1936) che la scoprì nel 1909. In corrispondenza di questa discontinuità si osserva un brusco aumento
della velocità sia delle onde P sia delle onde S. La Figura 16.4
illustra come viene determinata la profondità della discontinuità Moho. La profondità alla quale si trova questa discontinuità oscilla tra i 7 km e i 40 km. Sono stati infatti identificati
due tipi di crosta terrestre: la crosta continentale e la crosta
oceanica, molto diverse per composizione, età e modalità di
formazione (rivedi anche la Figura 16.1B). La crosta oceanica in
effetti è molto più simile alle rocce del mantello.
12
1
tempo
onda diretta
onda rifratta
2
3
3
1
distanza
D
▲ Figura 16.4 La scoperta della discontinuità tra crosta e
mantello. Il diagramma illustra le onde sismiche
prodotte da un terremoto, che raggiungono tre
diversi sismografi. Su una distanza breve, come
quella del sismografo 1, l’onda diretta (cioè non
rifratta) arriva per prima (A). Su distanze maggiori,
come quella del sismografo 3, arriva per prima
l’onda rifratta, perché ha viaggiato in rocce in cui
la velocità di propagazione delle onde sismiche è
maggiore (C). Il punto di crossover, che in questo
diagramma coincide con il sismografo 2, viene
raggiunto da entrambe le onde nello stesso
momento (D). La distanza tra l’epicentro e il punto
di crossover aumenta proporzionalmente alla
profondità della Moho, e può dunque essere usata
per determinare lo spessore della crosta.
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6
un modello globale
terremoto
◾ Il mantello terrestre
L’esistenza nella Terra di un nucleo centrale distinto fu dimostrata nel 1906 dal geologo Richard D. Oldham (1858-1936),
mentre nel 1914 Beno Gutenberg (1889-1960) calcolò la profondità del limite tra nucleo e mantello indicando un valore
di 2900 km tuttora accettato. A tale profondità si trova la discontinuità di Gutenberg, in corrispondenza della quale si
registra una brusca diminuzione della velocità delle onde P e si
interrompe la propagazione delle onde S (rivedi la Figura 16.4).
Oldham aveva osservato che a una distanza angolare di 100°
oltre 100° dall’epicentro di un forte terremoto, le onde P e le
onde S erano assenti o molto deboli. In altri termini il nucleo
centrale dava origine a una “zona d’ombra” priva di onde sismiche, come illustrato nella Figura 16.5.
A
Oltre l’82% del volume della Terra è costituito dal mantello, un guscio di spessore pari a quasi 2900 km che si estende dalla discontinuità Moho fino al nucleo esterno. Dato che
le onde S si propagano ancora all’interno del mantello, posterremoto
siamo dedurre che si tratti di rocce
allo stato solido, costituite da silicati ricchi di ferro e magnesio. Tuttavia, pur essendo
solide, le rocce del mantello si trovano a temperature molto
elevate e possono avere un comportamento plastico.
onde
P dirette
In base agli studi condotti sulla propagazione delle
onde
sismiche, il mantello può essere distinto in mantello superiore e mantello inferiore
nucleo (rivedi la Figura 16.1).
etimologia
Il mantello superiore
onde P dirette
nucleo
interno
nucleo
esterno
mantello
100°
100°
zona d’ombra
per le onde P
140°
140°
180°
onde P
registrate
(e
terremoto
onde S dirette
interno
nucleo
nucleo
esterno
Il mantello superiore si estende dallaesterno
discontinuità Moho
Astenosfera deriva dal
nucleo
fino
alla
profondità
di
660
km
e
può
essere
a
sua
volta
sudtermine greco asthenos:
interno
mantello costi100°
“debole”.
diviso in tre strati diversi. Lo strato più superficiale
100°
mantello
tuisce, insieme a una porzione di crosta sovrastante, la li- 100°
tosfera, più rigida; sotto di essa si trova l’astenosfera, meno
rigida. Questa stratificazione dipende dall’andamento della
zona d’ombra
temperatura all’interno della Terra, e verrà quindi presa
per leinonde P
esame più avanti nel capitolo. La parte inferiore del mantello
superiore,
140° da 410 fino a 660 km di profondità, è costituita
B
dalla zona di transizione (rivedi la Figura 140°
16.3), il cui limite
superiore è segnalato da un
improvviso
aumento
della denonde
P
180°
zona d’ombra per le onde S
registrate
sità da 3,5 a 3,7 g/cm5. Questa discontinuità
non corrisponde
(eventuali onde deboli diffratte)
a una variazione della composizione chimica, ma solo a un
▲ Figura 16.5 cambiamento di fase mineralogica del minerale più abbonL’effetto del nucleo sulle onde P e sulle onde S.
dante, l’olivina: alle pressioni caratteristiche per questa zona
A Quando le onde P interagiscono con il nucleo esterno, composto
da ferro allo stato liquido, le loro traiettorie vengono rifratte. In questo
l’olivina si trasforma in spinello.
modo si crea una zona d’ombra dove non si registra alcuna onda
La velocità delle onde sismiche registrata nel mantello
P diretta (anche se le onde P diffratte vi si propagano). B Il nucleo
superiore corrisponde a quella della peridotite, una roccia
rappresenta un ostacolo per le onde S perché queste onde non si
ultramafica composta in prevalenza da olivina e pirosseno.
propagano nei liquidi. Esiste quindi un’ampia zona d’ombra per le onde
Le rocce del mantello vengono talvolta portate in superfiS. Alcune onde S tuttavia vengono diffratte intorno al nucleo e possono
essere registrate dall’altra parte del pianeta.
cie da alcuni processi geologici: in alcune lave basaltiche di
origine molto profonda compaiono inclusi strappati dalle
parti inferiori del condotto vulcanico e questi frammenti,
◾ Il nucleo terrestre
chiamati xenoliti, sono effettivamente di composizione peLa discontinuità di Gutenberg, che separa il mantello dal nuridotitica.
cleo, è la più significativa all’interno della Terra in termini
di variazione delle proprietà dei materiali. La velocità delle
Il mantello inferiore
onde P si riduce da 13,7 a 8,1 km/h, mentre quella delle onTra i 660 km e il limite superiore del nucleo, a una profondità
de S scende drasticamente da 7,3 km/h a zero. Dato che le
di 2891 km, si trova il mantello inferiore. In questo strato
onde S non si propagano nei liquidi, si ipotizza che la parte
l’olivina e il pirosseno si trasformano nel minerale chiamapiù esterna del nucleo sia allo stato liquido. Anche la variato perovskite, con formula (Fe, Mg)SiO . Poiché il mantello
5
zione di densità osservata, da 5,6 a 9,9 g/cm5, è addirittura
inferiore è di gran lunga lo strato più spesso della Terra e comaggiore di quella che si registra sulla superficie terrestre
stituisce il 56% del volume del pianeta, la perovskite è, in un
nel passaggio dalla roccia all’aria.
certo senso, il minerale più abbondante della Terra.
100°
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CAPITOLO 16 l’interno della terra 253
terremoto
irette
°
100°
mbra
nde P
dirette
00°
Nel 1936 la sismologa danese Inge Lehmann (18881993) intuì che alcune onde P venivano fortemente rifratte
onde S dirette
in seguito a un loro improvviso incremento
di velocità in
corrispondenza di una superficie di discontinuità all’interno
del nucleo, un fenomeno opposto a quello che determina la
formazione della
zona d’ombra per le onde P (Figura 16.5A).
nucleo
Questa superficie
di discontinuità, chiamata discontinuità
esterno
nucleo
di Lehmann,
si trova a circa 5170 km di profondità e segna
interno
il limite tra la parte più esterna del nucleo,
100°chiamata nucleo
mantello
esterno, e quella più interna,
cioè il nucleo interno (rivedi
la Figura 16.1).
In base alle conoscenze attuali sui meteoriti e sul Sole, i
geologi ritengono che la Terra contenga una grande quantità di ferro, che però nella crosta e nel mantello non è molto
abbondante. Da questa considerazione, e dall’elevata densità del nucleo, si può dedurre che questa parte della Terra sia
costituita in prevalenza da ferro e nichel.
zona d’ombra
per le
onde S
Il nucleo
corrisponde
a circa 1/6 del volume della Terra
(eventuali onde deboli diffratte)
ma, a causa della sua alta densità, costituisce 1/3 della massa
terrestre; il ferro, se si considera la massa, è dunque l’elemento più abbondante della Terra.
Il nucleo esterno non è costituito da ferro puro. La densità e la velocità delle onde sismiche in questo guscio suggeriscono che esso sia formato, per il 15% circa, da altri elementi più leggeri del ferro, probabilmente zolfo, ossigeno,
silicio e idrogeno.
Il nucleo interno è invece una sfera solida costituita da
ferro e da quantità minori di nichel. Questa parte del nucleo
è molto piccola, e costituisce solo 1/142 (meno dell’1%) del
volume del nostro pianeta. Nelle prime fasi della formazione
della Terra, caratterizzate da temperature molto elevate, il
nucleo interno non esisteva. Con il successivo raffreddamento però il ferro cominciò a cristallizzare al centro del pianeta,
formando il nucleo interno solido, in cui mancano gli elementi più leggeri che sono invece presenti nel nucleo esterno.
16.3 L’andamento
della temperatura
all’interno della Terra
La temperatura della Terra è mediamente di circa 5500 °C al
centro e 0 °C in superficie. Perciò il calore si trasferisce continuamente dalle zone più interne a quelle più esterne, un
flusso di calore che genera una circolazione di materiali nel
nucleo e nel mantello.
Misurazioni condotte in varie zone del pianeta indicano
che il flusso di calore medio in superficie è di circa 87 mW/m4.
Non si tratta di un valore elevato: con questo flusso di calore, infatti, l’energia emessa da una superficie di 690 m4, poco
più grande di un campo di pallacanestro, basterebbe solo per
alimentare una lampadina da 60 W. Tuttavia, dato che la superficie della Terra è molto ampia, in un anno il calore emesso
corrisponde a circa il triplo dell’energia totale consumata.
Nella Figura 16.6 si può notare che il flusso di calore (in
mW/m4) sulla superficie terrestre non è uniforme, ma è più
elevato in corrispondenza delle dorsali oceaniche, dove grandi quantità di magma risalgono verso l’alto, e in alcune regioni continentali, per la presenza di concentrazioni particolarmente alte di isotopi radioattivi. Nelle piane abissali, antiche
e fredde, il flusso di calore è invece molto basso.
L’origine del calore terrestre
Come tutti i pianeti del Sistema Solare, durante le prime fasi
della sua formazione la Terra è stata caratterizzata da un incremento molto rapido della temperatura interna, seguito da
un periodo di lento e graduale raffreddamento, che è ancora
oggi in atto. L’iniziale aumento della temperatura terrestre
è stato causato da diversi fenomeni, tra cui la formazione del
nucleo interno, dovuta alla fusione del ferro e al suo conseguente sprofondamento verso il centro del pianeta. Tuttavia,
Il paragrafo in breve
1. La struttura interna della Terra viene studiata mediante
• indagini dirette (scavi profondi)
• indagini geofisiche indirette (studio della propagazione
delle onde sismiche)
2. In base all’andamento della velocità e della direzione
delle onde sismiche si distinguono
• discontinuità di Moho, tra crosta e mantello
• discontinuità di Gutenberg, tra mantello e nucleo
• discontinuità di Lehmann, tra nucleo esterno
e nucleo interno
3. In base allo studio della propagazione delle onde sismiche
e alle proprietà dei materiali è possibile distinguere
• crosta terrestre (tra 7 e 40 km)
# crosta oceanica (basalti e gabbri)
# crosta continentale (vari tipi di rocce)
• mantello (da Moho a 2900 km circa di profondità),
composto da peridotiti
# mantello superiore
– mantello litosferico (rigido)
– astenosfera (più plastica)
– zona di transizione
# mantello inferiore (tra 660 km e 2900 km circa,
composto da perovskite)
• nucleo (composto da ferro e nichel)
# nucleo esterno (allo stato liquido)
# nucleo interno (allo stato solido)
0
40
60
85
120
180
0
40
60
85
120
180
flusso di calore in mW/m22
flusso di calore in mW/m
▲ Figura 16.6 La distribuzione geografica del flusso di calore. La figura illustra la
distribuzione del flusso di calore (valori espressi in mW/m 2 ) emesso
dalla Terra in seguito al suo graduale raffreddamento. Il flusso di
calore è più elevato lungo le dorsali oceaniche, dove il magma risale
in superficie lungo le fratture causate dal progressivo allontanamento
delle placche tettoniche. I continenti disperdono il calore più
velocemente rispetto ai fondali marini antichi, perché contengono una
maggiore quantità di isotopi radioattivi che emettono calore.
240
240
350
350
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254 UNITÀ
6
Nella parte superficiale
dell’astenosfera
un modello globale
si ha parziale fusione.
0
litosfera
litosfera
astenosfera
0
zona di transizione
500
astenosfera
zona di transizione
curva di fusione
mantello
2000
profondità (km)
profondità (km)
1000
1000
solido
Si pensa che alla base
del mantello il materiale
sia parzialmente fuso.
temperatura
(geoterma)
1500
mantello inferiore
2000
2500
3000
2890
B
nucleo esterno
4000
Il nucleo esterno è fuso
perché qui la temperatura
è maggiore rispetto al punto
di fusione del ferro.
◀ 5000
Il nucleo interno è solido
perché qui la temperatura
è inferiore rispetto al punto
di fusione del ferro.
nucleo interno
6000
solido
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
temperatura (°C)
A
aumento della viscosità
se il calore della Terra derivasse solo dalle prime fasi della
sua formazione, il nostro pianeta sarebbe ormai un corpo
gelido da miliardi di anni. Il mantello e la crosta contengono
però alcuni isotopi radioattivi con tempo di dimezzamento molto lungo, dell’ordine di miliardi di anni: i principali
sono l’uranio 235, l’uranio 238, il torio 232 e il potassio 40.
È proprio il decadimento radioattivo di questi elementi la
fonte principale dell’energia che, dissipandosi, si trasforma
in calore, alimentando i moti convettivi nel mantello e la
tettonica delle placche.
◾ Il profilo di temperatura all’interno
della Terra
Con il nome di geoterma si indica la curva che descrive l’andamento della temperatura alle diverse profondità, all’interno della Terra (Figura 16.7A). Il gradiente geotermico è
la variazione di temperatura riferita a un certo intervallo di
profondità, solitamente 1 km. Tra la superficie e il centro della Terra, la temperatura cresce da 0 °C circa a oltre 5000 °C.
All’interno della crosta l’aumento è molto rapido, pari a oltre 30 °C per ogni kilometro di profondità; questo gradiente
in seguito decresce, altrimenti le rocce si troverebbero allo stato fuso già a 1000 km di profondità. Nella maggior
parte del mantello, l’aumento di temperatura è pari a circa
0,3 °C ogni kilometro e, dopo un brusco aumento alla base
del mantello, diventa poi più graduale nel nucleo esterno e
nel nucleo interno.
Nella Figura 16.7A è anche riportata la curva dei punti di
fusione medi dei materiali a ciascuna profondità. La vicinanza della geoterma alla curva dei punti di fusione non
indica soltanto se un materiale è fuso o no, ma anche la sua
Figura 16.7 Il gradiente geotermico terrestre. A L’aumento
di temperatura è graduale nella maggior parte degli strati. In
corrispondenza delle due maggiori discontinuità termiche, la
litosfera e la zona al limite mantello-nucleo, la temperatura aumenta
invece rapidamente su brevi distanze. La figura mostra anche la
curva dei punti di fusione dei materiali alle varie profondità. Dove
la geoterma incrocia la curva dei punti di fusione passando alla sua
destra, come nel nucleo esterno, il materiale è allo stato fuso. B Il
diagramma illustra la variazione della viscosità con la profondità. A
viscosità elevate, come nella crosta e nella litosfera, le rocce sono
più rigide e fluiscono con minore facilità. Confrontando le due figure
si può notare che le rocce sono più deboli e fluiscono con maggiore
facilità alle profondità in cui la temperatura è prossima a quella di
fusione (cioè nell’astenosfera e alla base del mantello).
rigidità: se la temperatura si avvicina al punto di fusione, la
rigidità della roccia inizia diminuire. La Figura 16.7B illustra
la viscosità delle rocce della crosta e del mantello. Le regioni
a elevata viscosità, come la litosfera, sono molto rigide. Le
regioni a bassa viscosità, come l’astenosfera o la regione alla
base del mantello, sono più plastiche.
Sia la geoterma sia la curva dei punti di fusione aumentano con la profondità, cioè si portano gradualmente verso valori più alti, a causa del contemporaneo aumento della
pressione. In linea generale la curva dei punti di fusione aumenta più rapidamente della geoterma, e per questo le rocce
nell’interno della Terra sono allo stato solido. Tuttavia in due
strati, la parte superiore dell’astenosfera e la base del mantello, la temperatura della Terra è sufficientemente elevata
da causare l’inizio della fusione di alcune rocce.
È ora possibile capire il diverso comportamento dei vari
strati della Terra. La litosfera è rigida perché la sua temperatura è inferiore alla temperatura di fusione.
L’astenosfera è più molle e plastica perché la sua temperatura è prossima alla temperatura di fusione: in alcuni
punti, infatti, è possibile una fusione parziale. L’astenosfera
è fondamentale per il meccanismo della tettonica delle placche, in quanto consente lo scorrimento della litosfera, più
rigida, su uno strato più plastico.
Nel mantello inferiore, che è molto rigido, le rocce si
muovono molto più lentamente che nel mantello superiore,
tranne che alla base dove la temperatura si approssima nuovamente alla temperatura di fusione.
Nel nucleo la temperatura aumenta molto più lentamente rispetto alla pressione. Tra il limite nucleo-mantello e il
centro della Terra, infatti, la temperatura cresce da 4000 °C
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CAPITOLO 16 l’interno della terra 255
a
eric
Am
Il paragrafo in breve
16.4 La struttura tridimensionale
Oc
ean
nucleo
variazioni percentuali della velocità
delle onde S rispetto ai valori medi
–1,5% –1,0% – 0,5%
0
0,5% 1,0% 1,5%
campo
Figura 16.8
magnetico
La tomografia sismica. Questa immagine ottenuta
L’ampia struttura di colore blu presente a grande
con la tomografia sismicabobina
mostra la struttura
profondità sotto l’America settentrionale è un
di filo
del mantello terrestre. I colori
indicano gli
frammento dell’antico fondo dell’Oceano Pacifico,
conduttore
scostamenti della velocità
delle onde S rispetto
freddo e denso, che sta sprofondando verso la
ai valori medi. Il colore blu indica una velocità
base del mantello. Le vaste zone color arancio
maggiore delle onde S nelle porzioni più antiche
al di sotto dell’Africa occidentale e dell’Oceano
dei continenti, fredde e rigide, come la parte
Pacifico sono punti in cui si ha risalita di materiale
B
elettromagnete
magnete
orientale
dell’America settentrionale C
e l’Africa.
caldo verso la superficie.
(campo dipolare)
(campo dipolare)
▲ ◀ Per visualizzare la struttura tridimensionale dell’interno della Terra si utilizza una tecnica basata sull’analisi delle onde
sismiche, chiamata tomografia sismica. Numerose informazioni si ricavano anche dallo studio del campo magnetico terrestre.
asse
polo di rotazione
nord
magnetico
◾ La tomografia sismica
Magnetic
campo
field
magnetico
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Figura 16.9
Il campo magnetico
terrestre. Analogia tra
il campo magnetico
terrestre (A) e il
campo prodotto da
un elettromagnete
(B), costituito da una
bobina di filo in cui
passa una corrente
elettrica, oppure da
una barra magnetica
(C). In passato si
pensava che il nucleo
della Terra agisse
come una grande barra
magnetica; oggi invece
gli studiosi ritengono
che il campo magnetico
della Terra sia più simile
a quello prodotto da un
elettromagnete.
A campo magnetico terrestre (campo dipolare)
campo
magnetico
bobina
di filo
conduttore
◾ Il campo magnetico terrestre
Come gli altri pianeti, la Terra possiede un campo magnetico, rappresentabile con linee di forza che escono dal polo magnetico sud e rientrano al polo magnetico nord. I poli
magnetici non coincidono esattamente con i poli geografici
(Figura 16.9C). In ogni punto della superficie terrestre il campo
magnetico viene descritto mediante l’intensità, misurata in
Gauss, e la direzione, descritta mediante due angoli, chiamati declinazione e inclinazione.
La declinazione magnetica indica la direzione del polo
nord magnetico rispetto alla direzione del polo nord geogra-
o
mantello
della Terra e il campo
magnetico terrestre
La tomografia sismica consente di combinare numerose registrazioni sismiche relative a vari terremoti per costruire un
modello tridimensionale dell’interno della Terra.
Questo metodo si basa solitamente sull’identificazione di
zone in cui la velocità delle onde P e delle onde S è superiore
o inferiore al valore medio previsto: gli eventuali scostamenti vengono interpretati come variazioni nelle caratteristiche
dei materiali, come la temperatura, la composizione, lo stato
fisico o il contenuto d’acqua.
Le immagini ottenute con la tomografia sismica, come
quella della Figura 16.8, illustrano l’esistenza di una circolazione di materiali alla scala dell’intero mantello. Frammenti di
antichi fondi oceanici freddi sprofondano alla base del mantello dove si riscaldano, si espandono e risalgono di nuovo
verso la superficie.
oA
tla
nt
ic
entale
occid
ica
Af r
1. Temperatura della Terra: da 5500 °C al centro a 0 °C
in superficie
# il flusso di calore non è uniforme
– è maggiore in corrispondenza delle dorsali oceaniche
– è minore nei continenti
2. Calore interno della Terra causato da
# contrazione gravitazionale durante la formazione
del pianeta
# decadimento di isotopi radioattivi con lungo tempo
di dimezzamento
3. Trasmissione del calore all’interno della Terra
# la geoterma descrive l’andamento della temperatura
con la profondità
# il gradiente geotermico è la variazione di temperatura
in un dato intervallo di profondità
# fenomeni di fusione parziale nei punti in cui la curva
dei punti di fusione interseca la geoterma
O ce
ano
Pa
cif
ico
a 5500 °C, con un incremento del 40%, mentre la pressione
triplica, passando da 1,36 a 3,64 Mbar. Il ferro presente nel
nucleo interno, anche se a una temperatura altissima, resta
allo stato solido perché anche la pressione è molto elevata.
trionale
setten
B elettromagnete
(campo dipolare)
C magnete
(campo dipolare)
fico (cioè il punto di intersezione dell’asse di rotazione terrestre con la superficie). L’inclinazione magnetica è l’angolo
formato con il piano orizzontale dalle linee di forza del campo magnetico, e può essere misurata con un ago magnetico
libero di ruotare nel piano verticale.
asse Al polo nord magnetico
polo di rotazione
nord
magnetico
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256 UNITÀ
6
un modello globale
collegamenti
Nei fluidi il calore si
propaga per convezione
a causa dell’espansione
degli strati di fluido più
caldi che diventano
più leggeri e tendono
a salire, mentre quelli
più lontani dalla fonte
di calore, più densi,
tendono a scendere
e sostituire quelli
più caldi: questi moti
convettivi determinano
una circolazione
continua all’interno del
fluido.
le linee di forza puntano direttamente verso il basso (inclinazione = 90°), all’Equatore invece sono orizzontali (inclinazione = 0°) (Figura 16.10).
L’origine del campo magnetico terrestre è oggi attribuita
agli intensi moti convettivi nel nucleo esterno, formato da ferro
allo stato liquido. Si ritiene che il flusso di materiale nel nucleo esterno sia dovuto a tre meccanismi principali: la convezione termica, la convezione chimica e la presenza di isotopi
radioattivi. La convezione termica si verifica quando il calore
si trasmette dal nucleo al mantello per conduzione, e i materiali fluidi nella parte più esterna del nucleo si raffreddano,
diventano più densi e sprofondano. La convezione chimica è
dovuta alla cristallizzazione del ferro allo stato solido alla base
del nucleo esterno, con la conseguente formazione del nucleo
interno. Ciò determina la quasi totale assenza di ferro nei fluidi residui che sono dunque relativamente leggeri e risalgono
verso l’alto. All’interno del nucleo, inoltre, potrebbero essere
presenti isotopi radioattivi, come il potassio 40, che forniscono ulteriore calore alimentando la convezione termica.
mantello
nucleo
esterno
liquido
nucleo
interno
▲ Figura 16.11
La convezione nel nucleo. Un esempio di un modello di convezione
nel nucleo esterno che può generare il campo magnetico misurato in
superficie. Si ritiene che il materiale soggetto alla convezione segua
traiettorie a spirale cilindriche allineate lungo la direzione dell’asse di
rotazione terrestre.
La geodinamo
I fluidi che risalgono all’interno del nucleo seguono una traiettoria a spirale (Figura 16.11). Dato che questi fluidi sono elettricamente carichi, il loro movimento genera un campo magnetico: questo meccanismo viene chiamato geodinamo o
dinamo ad autoeccitazione, ed è analogo a quanto avviene
in un elettromagnete. Infatti, se si avvolge un filo elettrico
intorno a un chiodo di ferro e si fa passare la corrente nel filo,
collegamenti
Si parla di vento solare
nei Capitoli 6 e 8.
S
za
or
Le inversioni del campo magnetico
di
f
l in
ee
N
N
S
polo nord
magnetico
polo nord
magnetico
il chiodo genera un campo magnetico dipolare, con un polo
magnetico nord e un polo sud, molto simile a quello prodotto
da una barra magnetica. Nella Figura 16.9 si può notare come il
campo magnetico prodotto dal nucleo esterno della Terra abbia la stessa forma dipolare di quello appena descritto.
Tuttavia, la convezione nel nucleo esterno non è così semplice. Oltre il 90% del campo magnetico terrestre può essere
considerato di forma dipolare, ma la parte restante è il prodotto di altri modelli più complessi di convezione nel nucleo.
latitudini settentrionali
N
polo sud
magnetico
S
latitudine equatoriale
▲ Figura 16.10
La direzione delle linee di forza del campo magnetico terrestre a
varie latitudini. Anche se una bussola indica generalmente solo
la componente orizzontale del campo magnetico (declinazione
magnetica), le linee di forza sono disposte secondo un angolo variabile
rispetto alla superficie (inclinazione magnetica).
Il campo magnetico terrestre ha subito nel tempo alcune variazioni, tra cui una delle più significative è rappresentata dal
fenomeno delle inversioni del campo magnetico. Durante
un’inversione l’intensità del campo magnetico diminuisce del
10% circa rispetto al valore normale, e i poli si spostano gradualmente fino a “scavalcare” l’Equatore: quando l’intensità
torna ai livelli normali, nel giro di poche migliaia di anni, il
campo ha polarità invertita. Questo fenomeno indica che
le modalità di convezione nel nucleo esterno variano in intervalli di tempo relativamente brevi.
La scoperta delle inversioni del campo magnetico terrestre
è stata molto importante per i geologi in quanto ha rappresentato una delle prove principali a supporto della teoria della tettonica delle placche, ma è possibile che questi eventi abbiano
avuto un’influenza negativa per la vita sulla Terra. Il campo
magnetico terrestre infatti si estende nello spazio generando
uno scudo magnetico chiamato magnetosfera che, insieme
all’atmosfera, protegge la superficie terrestre dalle particelle
ionizzate emesse dal Sole (il cosiddetto vento solare). La diminuzione di intensità del campo magnetico durante un’inversione
potrebbe consentire l’arrivo sulla Terra di maggiori quantità
di particelle ionizzate.
Un’altra variazione del campo magnetico terrestre è rappresentata dalla migrazione dei poli magnetici, rilevabile
nell’arco di pochi decenni. Per esempio, il polo nord magnetico della Terra era stato individuato in Canada, ma negli
ultimi anni si è spostato verso nord nel Mar Glaciale Artico,
e attualmente si sta dirigendo verso la Siberia a una velocità
di circa 20 km all’anno (Figura 16.12). Il processo non è simme-
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CAPITOLO 16 l’interno della terra 257
polo nord
magnetico
trico: infatti, mentre il polo nord magnetico si sta spostando
verso il polo nord geografico, il polo sud magnetico si sta
allontanando dal polo sud geografico, passando dall’Antartide all’Oceano Pacifico. Questo fenomeno è attribuito
alla porzione non dipolare del campo magnetico terrestre,
e sembra indicare che la convezione nel nucleo varia in modo
significativo nell’arco di un decennio.
Groenlandia
2005
2001
Il paragrafo in breve
1. La tomografia sismica (basata sulle variazioni di velocità
delle onde sismiche) consente di visualizzare la struttura
tridimensionale della Terra
2. Il campo magnetico terrestre è generato da moti
convettivi nel nucleo esterno (geodinamo) per
# convezione termica
# convezione chimica
# presenza di isotopi radioattivi
3. Il campo magnetico terrestre viene descritto mediante
# intensità, misurata in Gauss
# direzione, descritta mediante due angoli
– declinazione magnetica
– inclinazione magnetica
4. Il campo magnetico terrestre può subire variazioni
# inversione di polarità
# migrazione dei poli magnetici
Figura 16.12
La variazione nel tempo
della posizione del polo
nord magnetico. le
modalità di convezione
nel nucleo esterno
cambiano molto
rapidamente, cosicché
significative variazioni
del campo magnetico
sono misurabili nell’arco
di pochi decenni.
◀
1994
1984
1962
1948
1904
America settentrionale
intersezione 16.1
Ricreare l’ambiente degli strati interni della Terra
basandosi soltanto sulla sismologia non è
possibile stabilire la composizione della terra. È
necessario ricavare informazioni aggiuntive con
altri mezzi, per riuscire a interpretare le velocità
delle onde sismiche in termini di tipo di roccia.
Ciò è possibile grazie agli esperimenti di fisica
delle rocce, condotti in laboratorio. Sottoponendo
i minerali e le rocce a temperature e pressioni
elevate, è possibile misurare direttamente
proprietà come la rigidezza, la compressibilità e
la densità, e quindi anche la velocità delle onde
sismiche. Si simulano così le condizioni presenti
nel mantello e nel nucleo, e si confrontano i
risultati ottenuti con i modelli di propagazione
delle onde sismiche.
gran parte degli esperimenti di fisica delle rocce
sono effettuati con presse giganti che utilizzano
acciaio al carbonio, molto duro. le pressioni
più elevate tuttavia si ottengono mediante celle
a diamante come quella illustrata nella Figura
A . Questi dispositivi sfruttano due importanti
proprietà dei diamanti, la durezza e la trasparenza.
le estremità di due diamanti vengono tagliate e un
piccolo campione del minerale da studiare viene
collocato i due cristalli. Premendo i due diamanti si
ottengono pressioni elevate come quelle presenti
all’interno del pianeta giove. le alte temperature
vengono invece raggiunte inviando un raggio laser
nel campione attraverso il diamante.
gli esperimenti di fisica delle rocce non servono
solo per misurare la velocità delle onde sismiche
alle condizioni esistenti nei vari strati della terra:
con altri esperimenti si determina, per esempio,
la temperatura a cui i minerali incominciano a
fondere, a diverse pressioni, oppure la pressione
a cui una fase mineralogica diventa instabile
trasformandosi in una nuova fase di alta
pressione. un altro tipo di indagine prevede la
realizzazione degli stessi esperimenti variando
leggermente la composizione mineralogica
del campione. la fisica delle rocce è dunque
indispensabile perché, come sappiamo, all’interno
della terra esistono variazioni di composizione e di
temperatura lungo le tre dimensioni.
▼
Figura A
La fisica delle rocce. Con gli esperimenti ad alta
pressione in una cella a diamante (fotografia a
sinistra) è possibile ricreare le condizioni presenti al
centro della terra. lo strumento è molto piccolo, e
si può collocare comodamente su un tavolo. le alte
pressioni vengono generate tagliando le estremità
di due diamanti di alta qualità (fotografia a destra),
collocando un piccolo campione di roccia tra i
cristalli così preparati ed esercitando una pressione
sul campione. Per raggiungere le alte temperature
necessarie si utilizza un raggio laser.
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258 UNITÀ
6
un modello globale
Il capitolo in breve
La struttura stratificata della Terra La
Terra è divisa in strati: i materiali più densi si trovano al centro del pianeta e quelli più leggeri negli strati esterni. Questa stratificazione è dovuta
alla forza di gravità ed è caratteristica di tutti i
pianeti. Gli strati della Terra sono: il nucleo, il
mantello (rocce dense), la crosta (rocce a bassa
densità). Nei vari strati la densità della materia
aumenta con la profondità a causa della compressione dovuta all’aumento della pressione.
Lo studio dell’interno della Terra Uno
dei metodi usati per studiare l’interno del nostro
pianeta è lo studio delle onde sismiche. Queste
onde vengono riflesse dalle superfici di discontinuità tra due strati con caratteristiche diverse,
e rifratte quando passano da uno strato all’altro.
La loro velocità è influenzata dalla profondità,
dalla composizione, e dalle proprietà elastiche
(rigidezza e compressibilità, influenzate dalla
temperatura) delle rocce in cui si propagano.
La crosta oceanica e la crosta contientale La crosta oceanica si forma in pros-
simità delle dorsali oceaniche ed è abbastanza
uniforme nella composizione. La crosta continentale presenta composizione molto variabile e si forma in diversi modi. Lo spessore della
crosta oceanica è di circa 7 km, mentre la crosta
continentale può anche raggiungere i 70 km di
spessore. Il limite tra crosta e mantello è la discontinuità di Mohorovičić (o Moho).
Il mantello Il mantello costituisce la mag-
gior parte (82%) del volume della Terra. Il man-
tello superiore si estende dalla Moho fino a una
profondità media di 660 km, ed è suddivisibile
in tre parti: una parte superiore che, insieme alla
crosta, forma la litosfera rigida, l’astenosfera,
più plastica e, al di sotto dell’astenosfera, la zona
di transizione alla cui base si trova un livello
più plastico. Il mantello inferiore si estende da
660 km fino al limite nucleo-mantello posto a
2891 km dalla superficie. Il limite tra il mantello
e il nucleo è rappresentato dalla discontinuità
di Gutenberg.
Il nucleo Il nucleo è costituito principalmente
da ferro e nichel, anche se contiene il 15% circa
di elementi più leggeri. Dato che il ferro è molto
denso, il nucleo costituisce circa 1/3 della massa
della Terra. Si suddivide in un nucleo esterno,
allo stato liquido, e un nucleo interno solido,
separati dalla discontinuità di Lehmann.
La temperatura della Terra La temperatura interna della Terra passa da 5500 °C al
centro del nucleo a circa 0 °C in superficie. Questo determina un flusso di calore dall’interno
verso l’esterno, e il calore per la maggior parte si
disperde lungo il sistema delle dorsali oceaniche.
Il nostro pianeta è ancora geologicamente attivo
a causa del calore emesso dagli isotopi radioattivi con tempo di dimezzamento molto lungo.
Il profilo di temperatura all’interno
della Terra La geoterma è la curva dell’an-
damento della temperatura alle varie profondità,
mentre il gradiente geotermico è la variazione di temperatura riferito a un certo interval-
MP3
Ascolta
la sintesi
lo di profondità, solitamente 1 km. Il gradiente
geotermico nella crosta è pari a 30 °C per ogni
km, ma più in profondità diminuisce. Quando la
geoterma si approssima alla curva dei punti di
fusione, le rocce diventano più plastiche e meno
viscose, come accade nell’astenosfera e alla base del mantello. Sia la geoterma sia la curva dei
punti di fusione aumentano con la profondità
per il contemporaneo aumento della pressione.
Il nucleo interno, pur trovandosi a una temperatura altissima, è solido perché la pressione è
molto elevata.
La tomografia sismica Mediante molte
registrazioni sismiche si possono ottenere immagini tridimensionali delle variazioni della
struttura del mantello. Questa tecnica è chiamata tomografia sismica, e ha permesso di dedurre che esiste una circolazione di materiali in
tutto il mantello.
Il campo magnetico terrestre Come gli
altri pianeti, la Terra possiede un campo magnetico descrivibile mediante valori di intensità e
direzione, a sua volta misurabile mediante i due
angoli di declinazione magnetica e inclinazione magnetica. L’origine del campo magnetico terrestre è oggi attribuita agli intensi moti
convettivi nel nucleo esterno, secondo il meccanismo della geodinamo. Il campo magnetico
subisce inversioni di polarità che si realizzano
in poche migliaia di anni. Altre variazioni del
campo magnetico sono le migrazioni dei poli
magnetici, osservabili nell’arco di poche decine di anni.
MAPPA MULTIMEDIALE
Visualizza
i concetti
I PARAGRAFI IN BREVE
Ripassa
il capitolo
Per preparare la verifica
Conoscenze disciplinari e abilità
5 Il
è la variazione di temperatura per un
certo intervallo di profondità; la curva che descrive l’andamento della
temperatura con la profondità è detta
.
............................................................... ...............................................................
Completa le seguenti affermazioni.
...............................................................
1 Per effetto della gravità, i materiali che costituiscono la Terra si dispongono secondo una struttura a strati in cui il
è occupato dagli elementi più pesanti, il
e la
dagli elementi più leggeri e l’
dai gas.
2 Il passaggio tra i diversi strati che compongono la Terra avviene in
corrispondenza delle
. La
segna il passaggio da crosta a mantello, la
separa
il mantello dal nucleo.
3 La
, situata a una
profondità di circa 5170 km, separa il
dal
.
4 La profondità della Moho varia a seconda che si trovi al di sotto della
oppure della
.
..............................................................
..............................................................
..............................................................
..............................................................
............................................................... ............................................................... ...............................................................
............................................................... ............................................................... ...............................................................
............................................................... ............................................................... ...............................................................
........................................................................ ........................................................................ ........................................................................
........................................................................ ........................................................................
........................................................................ ........................................................................
.......................................................... ..........................................................
.......................................................... ..........................................................
Scegli la soluzione corretta.
6 Le superfici di discontinuità:
a. determinano sempre l’arresto delle onde S.
b. determinano sempre una diminuzione di velocità
delle onde P.
c. sono state individuate mediante l’analisi di propagazione delle
onde sismiche.
d. non permettono la propagazione delle onde sismiche.
7 La crosta continentale:
a. ha lo stesso spessore della crosta oceanica.
b. ha una densità superiore alla crosta oceanica.
c. è attraversata dalle onde sismiche con una velocità costante.
d. ha uno spessore medio di 40 km.
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CAPITOLO 16 l’interno della terra 259
8 La crosta oceanica:
a. ha uno spessore medio superiore ai 20 km.
b. ha una densità di circa 3,0 g/cm5.
c. non permette il passaggio delle onde P.
d. è composta prevalentemente da graniti.
9 In corrispondenza della Moho si osserva:
a. una diminuzione della densità media delle rocce.
b. un’accelerazione delle onde sismiche.
c. un rallentamento delle onde sismiche.
d. una diminuzione della temperatura.
•• La discontinuità di Gutenberg:
a. si trova a più di 3000 km di profondità.
b. separa il mantello superiore dal mantello inferiore.
c. separa la litosfera dall’astenosfera.
d. impedisce la propagazione delle onde S.
•• I poli magnetici:
a. si stanno entrambi avvicinando dai poli geografici.
b. si stanno entrambi allontanando dai poli geografici.
c. si spostano in relazione ai moti convettivi nel nucleo.
d. si spostano per azione della parte dipolare del campo magnetico
terrestre.
•• La litosfera:
a. si trova subito al di sotto dell’astenosfera.
b. è costituita dalla crosta e dalla parte superficiale del mantello.
c. è lo strato più rigido del mantello.
d. è delimitata dalla zona di transizione.
Indica nello spazio assegnato se le seguenti affermazioni sono
vere (V) o false (F). In ciascuna affermazione falsa sostituisci il
termine sottolineato con il termine corretto.
V F
•• Le peridotiti sono i costituenti principali della crosta terrestre.
□ □
...............................................................
•• La declinazione magnetica è l’angolo formato dalle linee di
forza del campo magnetico con il piano orizzontale.
•• Le indagini geofisiche dirette si basano sullo studio della
propagazione delle onde sismiche nell’interno della Terra.
□ □
...............................................................
•• A parità di composizione, le onde sismiche si propagano più
velocemente in rocce meno rigide.
□ □
...............................................................
Rispondi alle seguenti domande.
•• Da che cosa dipende la velocità delle onde sismiche nelle rocce?
•• A che profondità si sono spinte le perforazioni più profonde della superficie terrestre?
•• Qual è l’elemento più abbondante della Terra?
•• Qual è la fonte principale dell’energia che alimenta i moti convettivi
nel mantello?
•• Descrivi le caratteristiche principali della crosta terrestre e della su-
TEST
INTERATTIVI
DI AUTOVERIFICA
Capacità di analisi in contesti diversi
•• I moti convettivi interni al mantello sono la causa del flusso di calore
dal centro della Terra verso l’esterno ma sono legati anche ad altri
fenomeni osservabili sulla superficie terrestre. Sulla base di quello
che hai studiato in questo capitolo e nei precedenti, quali potrebbero
essere alcuni di questi fenomeni? In alcuni casi sono proprio questi
fenomeni che hanno permesso di determinare, per esempio, la composizione mineralogica degli strati sottostanti la crosta terrestre. Sai
dire in che modo?
In English, please!
Choosing from the list of chapter’s key words, complete the
following statements with the most appropriate terms.
•• Earth’s outermost layer, called the
, consists of the
crust and uppermost mantle. Beneath this layer in the upper mantle
lies another layer, less rigid, known as the
.
••
studies the propagation of seismic waves
to reconstruct the Earth’s interior structure.
•• The Lehmann discontinuity divides Earth’s
from the .
...............................................................
...............................................................
............................................................... ...............................................................
...............................................................
...............................................................
Choose the best answer for the following questions.
□ □
...............................................................
perficie di discontinuità che la separa dal mantello. (massimo 120
parole)
•• Descrivi le caratteristiche principali del mantello e della superficie
di discontinuità che lo separa dal nucleo. (massimo 120 parole)
•• Descrivi le caratteristiche principali del nucleo.
•• In che cosa consiste la tecnica della tomografia sismica?
•• Che cosa sono le inversioni del campo magnetico? Che effetti ha sulla
Terra questo fenomeno? (massimo 90 parole)
•• Che cos’è il gradiente geotermico? Che cosa rappresentano la geoterma e la curva dei punti di fusione? Che relazione c’è tra le due curve?
(massimo 100 parole)
•• A geotherm represents the variation of:
a. the melting point with depth.
b. temperature with depth.
c. the melting point with temperature.
d. temperature with the melting point.
•• A geodynamo is a mechanism due to:
a. Earth’s magnetic field.
b. Earth’s gravity field.
c. the flow of fluid material in the core.
d. the flow of fluid material in the mantle.
Give a short answer to the following questions.
•• Describe the composition of the:
a. continental crust.
c. mantle.
b. oceanic crust.
d. core.
•• What evidence do we have that Earth’s outer core is molten?
MATERIALI
PER L’ESAME
DI STATO
GLOSSARIO
MULTIMEDIALE
BILINGUE
© Pearson Italia S.p.A., E.J. Tarbuck F.K. Lutgens - Corso di Geografia Generale
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9-02-2009 16:18:48