Alfonso Bosellini I materiali della Terra solida Capitolo 1 La Terra: uno sguardo introduttivo La formazione della Terra e la sua evoluzione primordiale Lezione 2 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 2 1.4 La Terra primordiale Circa 4,6 miliardi di anni fa una densa nebulosa, molto fredda e in lenta rotazione, costituita da polveri e gas, iniziò a contrarsi. Nebulosa 1 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 3 1.4 La Terra primordiale La materia si concentrò nella zona centrale, dove si formò il protosole, attorno al quale le polveri e i gas residui si disposero a formare un disco in rotazione. Protosole 2 1 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 4 1.4 La Terra primordiale Nella parte più esterna del disco, i gas e le polveri originarono granuli che collidendo si aggregarono in piccoli agglomerati, i planetesimi. Protosole 2 Planetesimo 1 3 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 5 1.4 La Terra primordiale Dalle ripetute collisioni dei planetesimi si originarono i pianeti terrestri; dalla concentrazione dei gas si originarono i pianeti gioviani e si strutturò il sistema solare. 2 1 Sole Pianeta 3 Sistema solare 4 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 6 1.4 La Terra primordiale La Terra si formò per aggregazione di planetesimi, per effetto dell’attrazione gravitazionale. 1 2 3 4 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 7 1.4 La Terra primordiale Circa 4,5 miliardi di anni fa la Terra entrò in collisione con un corpo celeste delle dimensioni di Marte. L’impatto scagliò nello spazio uno sciame di frammenti, dalla cui aggregazione si formò la Luna. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 8 1.4 La Terra primordiale La pioggia ininterrotta di planetesimi continuò a colpire i vari corpi celesti fino a 3,8 miliardi di anni fa, distruggendo ogni traccia di crosta primitiva sulla Terra. Per questa ragione sulla Terra non si conoscono rocce con più di 3,8÷4,2 miliardi di anni. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 9 Sorgenti di calore nella Terra 1. Conversione dell’energia cinetica in energia termica Trasformazione in calore dell’energia cinetica dei meteoriti che colpivano la Terra 2. Conversione dell’energia gravitazionale in energia termica. Durante la “catastrofe del Ferro” e lo spostamento dei silicati più leggeri verso il mantello e la crosta si liberò una gran quantità di energia gravitazionale che si trasformò in calore. 3. Riscaldamento adiabatico Progressivo aumento di massa del pianeta con conseuente aumento della pressione e quindi della temperatura 4. Radioattività di isotopi a vita breve Calore prodotto inizialmente dal decadimento di elementi radioattivi con tempi di dimezzamento brevi 5. Radioattività di isotopi a lunga vita Calore prodotto e che si stà ancora producendo da parte di minerali radioattivi concentrati principalmente nelle rocce granitiche della crosta I primi tre fenomeni da soli possono aver portato la temperatura interna del pianeta a 1000 °C. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 1.5 «Catastrofe del ferro» e differenziazione L’aumento della temperatura portò alla fusione del ferro che, a causa della sua elevata densità, sprofondò verso il centro della Terra (catastrofe del ferro). Materiali più leggeri Ferro Questo fenomeno liberò energia gravitazionale, con conseguente fusione di larga parte del pianeta e successivo processo di differenziazione gravitativa. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 11 1.5 «Catastrofe del ferro» e differenziazione La Terra si stratificò diventando un pianeta «zonato». Crosta (0÷40 km) Nucleo esterno di ferro fuso (2890÷5150 km) Nucleo interno di ferro solido (5150÷6370 km) Mantello (40÷2890 km) Un terzo della massa primordiale della Terra si addensò al centro e costituì un nucleo a base di ferro. I materiali più leggeri migrarono verso l’esterno e formarono la crosta primitiva. Tra crosta e nucleo si collocarono materiali con caratteristiche intermedie che originarono il mantello. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 12 1.6 Zonazione chimica della Terra Il 90 % del pianeta Terra nel suo insieme è formato da soli quattro elementi: ferro, ossigeno, silicio e magnesio. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 13 1.6 Zonazione chimica della Terra Ossigeno, silicio e alluminio, invece, formano da soli l’80% della crosta terrestre. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 14 1.6 Zonazione chimica della Terra La zonazione chimica verticale dei vari elementi non fu dovuta al loro diverso peso specifico. Fu determinata dalle proprietà fisiche e chimiche (punto di fusione, densità etc) dei minerali che gli elementi andarono a formare: • nella crosta i feldspati, così come uranio e torio sotto forma di ossidi e di silicati; • nel mantello, silicati di ferro e di magnesio; • nel nucleo, oro e platino, che hanno poca affinità con ossigeno e silicio. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 15 1.6 Zonazione chimica della Terra Il calore radioattivo fu facilmente disperso nell’atmosfera, perché i materiali radioattivi si erano concentrati nel guscio esterno. Anche il nuovo meccanismo della convezione contribuì a trasferire il calore verso la superficie. L’aumento della temperatura interna della Terra rallentò molto e il pianeta poté raffreddarsi in tempi relativamente brevi. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 16 1.7 Atmosfera, idrosfera e crosta primitive Le continue eruzioni vulcaniche liberarono grandi quantità di gas, principalmente idrogeno, vapore acqueo, azoto e diossido di carbonio. L’idrogeno, molto leggero, sfuggì nello spazio, mentre i gas più pesanti avvolsero la Terra, andando a formare l’atmosfera primordiale. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 17 1.7 Atmosfera, idrosfera e crosta primitive Quando la temperatura superficiale scese sotto il punto critico dell’acqua, il vapore acqueo iniziò a condensare e a riempire le parti depresse della superficie terrestre. Si formarono i primi oceani e si formò l’idrosfera primordiale. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 18 1.7 Atmosfera, idrosfera e crosta primitive Si ritiene che i materiali che costituiscono la crosta si siano formati gradualmente attraverso vari processi: • emissioni di lava, seguite da rifusione parziale delle rocce appena consolidate; • degradazione per opera degli agenti atmosferici, con formazione di un primitivo regolite; • riassorbimento e riciclo dei sedimenti all’interno della Terra per opera di processi vulcanici e tettonici. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 19 1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» L’insieme delle diverse parti del nostro pianeta e le loro reciproche interazioni costituiscono il sistema Terra. La Terra può essere idealmente suddivisa in «sfere», in base alla densità dei materiali che la costituiscono. Atmosfera Idrosfera Biosfera Litosfera Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 20 1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» L’idrosfera è la componente liquida della Terra e comprende le acque dei mari e quelle continentali, fiumi, laghi e ghiacciai. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 21 1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» L’atmosfera è la componente gassosa della Terra ed è costituita dall’aria, che avvolge tutto il pianeta. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 22 1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» La litosfera è la componente solida superficiale ed è costituita dalle rocce. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 23 1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» La biosfera, comprende gli organismi viventi e l’ambiente con cui questi interagiscono. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 24 1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» Vi sono due diversi criteri di suddivisione della Terra solida. Criterio chimico-mineralogico Criterio basato sullo stato fisico dei materiali Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 25 1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» Il sistema Terra è caratterizzato da complesse relazioni tra le diverse «sfere» che avvengono con scambi di materia e di energia. Questi processi sono attivati e sostenuti dal calore interno della Terra e dall’energia solare che arriva alla sua superficie. Il calore interno favorisce i processi endogeni (movimenti nel mantello, nel nucleo, fusione delle rocce, formazione di catene montuose, ecc.). L’energia solare favorisce i processi esogeni (movimenti di fluidi, passaggi di stato, tempo atmosferico, clima, modellamento superficiale, ecc.). Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 26 1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» Il sistema Terra può essere suddiviso in 3 sottosistemi, o geosistemi, che operano su scala globale: Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 27 1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» Il sistema clima coinvolge tutte le componenti del sistema Terra; le loro interazioni concorrono a determinare il clima su scala globale e le sue variazioni nel tempo. Il clima non esprime soltanto il comportamento dell’atmosfera, ma è influenzato anche dai molteplici processi che coinvolgono l’idrosfera, la litosfera e la biosfera. Il sistema tettonica delle placche è attivato dal calore interno della Terra. Esso si compie attraverso flussi di materia e di energia (moti convettivi) tra mantello profondo, astenosfera e litosfera. Il ciclo delle rocce, le deformazioni alle quali sono sottoposti i materiali litosferici, i terremoti, le eruzioni vulcaniche, la formazione degli oceani e delle catene montuose sono tutte conseguenze delle interazioni tra le varie componenti della Terra solida. Il sistema geodinamo, responsabile dell’esistenza del campo magnetico terrestre, ha origine profonda, ma è in grado di interagire con le componenti più esterne del sistema Terra, come la biosfera e l’atmosfera. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 28
