IL FLUSSO DI CALORE
TERRESTRE
IL CALORE TERRESTRE
¾La Terra si è formata circa 4,6 miliardi di anni fa, e qualsiasi forma di calore residuo sarebbe stata dissipata parecchi milioni di anni fa. Eppure la temperatura della Terra cresce man mano che si scende in profondità. Questo aumento di temperatura è variabile a seconda del contesto geologico e strutturale. ¾L’interno della Terra è così molto più caldo della sua superficie. All’interno della Terra (nel nucleo) si suppone debba esistere una temperatura paragonabile a quella della superficie del Sole (da 4.000‐6.000 °C). ¾La Terra perde continuamente calore che viene disperso nello spazio. Poichè la Terra dissipa del calore verso lo spazio, e dopo miliardi di anni non si è ancora raffreddata, significa che deve esistere una fonte di calore nel suo interno. La
causa principale non fu chiara prima della scoperta, alla fine del XIX secolo, del fenomeno della radioattività da parte dei fisici Bequerel e Curie.
¾Oggi sappiamo che il calore dell’interno della Terra (ci riferiamo in genere al mantello superiore o astenosfera, da cui i vulcani attingono materiale) viene continuamente prodotto dal decadimento radioattivo degli elementi, come uranio, torio, rubidio, ecc., presenti nelle rocce del mantello e della crosta terrestre. IL GRADIENTE GEOTERMICO
¾La dimostrazione che esiste una energia termica all’interno della terra è ormai un fatto certo e ben conosciuto. Vulcani, sorgenti termali, soffioni e gayser documentano bene la presenza di un calore interno alla Terra che fluisce verso l'esterno.
¾Si chiama gradiente geotermico l’aumento della temperatura con la profondità e non è un valore fisso, nel senso che parti diverse dell’interno terrestre possono avere diverso gradiente geotermico; in media il
gradiente è circa 1°C ogni 33 metri (3 gradi ogni 100 m) di profondità, all’interno della litosfera e dell’astenosfera, ma può variare notevolmente come vicino alle dorsali dove si può arrivare a valori di 3‐4 gradi ogni 33 metri. ¾Queste variazioni della temperatura interna della Terra vengono chiamate gradienti geotermici anomali, e sono quelli che consentono lo sfruttamento dell’energia geotermica.
¾Dato che con il decadimento la quantità degli isotopi radiogenici diminuisce si deduce che al momento della formazione della crosta terrestre il flusso di calore doveva essere notevolmente maggiore. E così pure la velocità e intensità dei processi geodinamici.
IL GRADIENTE GEOTERMICO
~33°C/km
~1°C/km
Se si mantenesse il gradiente di 33° al Km, l’interno della Terra sarebbe tutto allo stato fuso
IL FLUSSO DI CALORE
¾Il nostro pianeta diffonde calore che, dal nucleo e dal mantello, si trasferisce alla crosta terrestre e all’atmosfera (anche se il calore che assume l’atmosfera da questi processi è molto minore di quello che è
fornito dal Sole). ¾Il flusso di calore si misura in Watt/m2
¾In media, il flusso di calore per la crosta terrestre è pari a pari a 0,075 Watt/m2: in un prato di 1000 m2, il calore generato dall’intera superficie sarebbe pari a 75W, utile solo per alimentare una lampadina da 75 W. E’ evidente che, in media, l’energia geotermica non è sfruttabile dall’uomo.
¾Il flusso che registriamo in superfice è la conseguenza del fatto che per ristabilire l’equilibrio termico in una roccia il calore, che è energia, si sposta da zone ad alta temperatura a quelle a bassa temperatura in vari modi: i principali sono la conduzione e la convezione. ¾ L’energia termica in un solido esiste in quanto si verifica la vibrazione degli atomi: l’intensità di tali vibrazioni determina la temperatura. Il calore si trasmette per conduzione quando gli atomi e le molecole soggetti ad agitazione termica si urtano reciprocamente, trasmettendo così un moto vibratorio da una zona calda ad una fredda.
¾La quantità di calore che si trasferisce nell’unità di tempo fra due punti di una sostanza è proporzionale alla differenza di temperatura fra i due punti e alla conducibilità termica, che varia da sostanza a sostanza.
¾Le rocce sono cattivi conduttori di calore: ad esempio, una colata di lava dello spessore di 50 metri impiega a raffreddarsi circa 150 anni.
LA CONVEZIONE
¾Un altro modo per permettere al calore di salire in superficie è la convezione, meccanismo tipico dei
fluidi (liquidi e gas). ¾Questo processo, molto efficace nella distribuzione del calore, dipende dal fatto che se riscaldiamo un fluido, questo si espande diventando meno denso, cioè più leggero, rispetto al materiale circostante.
¾Il fluido tende quindi a salire, mentre il materiale più freddo tende a scendere: si instaura così un circolo che prende il nome di cella convettiva. ¾La stessa cosa accade se riscaldiamo una pentola piena di acqua: l’acqua che si trova direttamente sopra la fiamma si riscalderà prima e tenderà a risalire verso l’alto lasciando così il posto all’acqua più fredda, e quindi più pesante, che tenderà a scendere. IL MECCANISMO DELLA CONVEZIONE
ALLA SCALA DELLE PLACCHE LITOSFERICHE
SORGENTI DI CALORE NELLA CROSTA TERRESTRE
¾Un altro, importante meccanismo di flusso di calore è rappresentato dai magni nella crosta terrestre che, consolidando, cedono la stessa qualità di calore assorbita in precedenza durante i processi di fusione dei minerali silicatici che presiedono alla formazione dei magmi stessi. I magmi basaltici si trovano a temperature >1150°C.
A 10 km di profondità la temperatura sarebbe 250°C, per cui accanto ad una intrusione magmatica verrebbe prodotta una differenza di 900° fra magma e rocce circostanti, che viene dissipata creando un flusso di calore anomalo verso la superficie (Larderello).
IL FLUSSO DI CALORE A LIVELLO GLOBALE
¾I valori più alti sono presenti lungo le dorsali medio oceaniche, soprattutto quelle a maggiore attività e velocità di espansione (dorsale Est Pacifica, dorsale a SE dell’Australia). ¾Si osserva che i valori più bassi del flusso di calore sono presenti nelle zone più interne e più antiche all’interno delle placche litosferiche. ¾Valori bassi del flusso di calore sono verificabili anche lungo fosse oceaniche, mentre il valore si alza in prossimità degli archi vulcanici ad esse associati
DIFFERENZA NEI VALORI DEL FLUSSO DI CALORE FRA DORSALI E FOSSE DI SUBDUZIONE
¾Il meccanismo della convezione agisce dal nucleo esterno al mantello, fino alla base della litosfera.
¾Il meccanismo della conduzione agisce alla scala della sola litosfera
¾Le dorsali sono zone dove il calore viene portato in superficie dalle celle convettive.
¾In prossimità delle fosse di subduzione la placca ormai raffreddata si immerge nel mantello, trascinata dalla corrente convettiva discendente.
PUNTI CALDI (HOT SPOTS): ZONE AD ALTO FLUSSO DI CALORE INTERNE ALLE PLACCHE LITOSFERICHE
IL PIU’ ATTIVO PUNTO CALDO DEL GLOBO:
ISOLE HAWAII
Il meccanismo di formazione dell’arcipelago delle Isole Hawaii, per scorrimento della placca Pacifica sopra un punto caldo fisso, posto sotto la base della litosfera
IL VULCANO KILAUEA, ESPRESSIONE ATTUALE DEL PUNTO CALDO
La caldera del Vulcano Kilauea (Isola di Hawaii), il vulcano più attivo del Pianeta
IL PUNTO CALDO CONTINENTALE DI YELLOWSTONE
Il punto caldo di Yellowstone è alimentato da un’enorme camera magmatica situata pochi Km sotto la superficie, dalla quale viene trasmesso calore che alimenta fenomeni idrotermali
L’ENERGIA GEOTERMICA
¾Lo sfruttamento del calore della Terra per scopi energetici è iniziato a Larderello molti anni fa,
dove il vapore veniva a giorno naturalmente in getti, detti soffioni.
¾Per potere usare il calore come fonte di energia, è necessaria la presenza dell’acqua sotterranea di origine meteorica che, scendendo in profondità nella crosta terrestre, si riscalda e passa alla fase vapore. ¾Quando l’acqua mista a vapore ritorna in superficie, crea fenomeni naturali come le fumarole, i geysers, le sorgenti termali.
I GEYSER
I GEYSER
¾Quando l’acqua meteorica, penetrando nel sottosuolo e formando una falda freatica all’interno di uno strato di roccia porosa, viene riscaldata, comincia a risalire. ¾In seguito l’acqua può fermarsi in un serbatoio sotterraneo, e quando il calore dal basso si accumula, comincia a bollire e a formare vapore.
¾Quando l’incremento della pressione è in grado di superare la pressione di carico e di lanciare un getto di acqua surriscaldata e vapore al di sopra della superficie topografica.
¾Quando tutta l’acqua è stata espulsa dal serbatoio, il processo di ricarica ricomincia ad intervalli regolari (come nel caso del geyser “Old Faithful”, nel Parco di Yellowstone, che si riattiva ogni 65 minuti).
LE SORGENTI CALDE
Le sorgenti calde sono manifestazioni molto diffuse in aree come il Parco di Yellowstone, dove il calore magmatico proveniente dal profondo riscalda l’acqua di falda che poi, attraverso una rete di fratture, si apre la strada verso l’alto fino a raggiungere la superficie. Risalendo verso l’alto, l’acqua surriscaldata mette in soluzione minerali silicatici e poi li depone in prossimità della superficie, formando rocce come le geyseriti
FUMAROLE E FANGHI BOLLENTI
Fumarole e fanghi bollenti a Yellowstone, Wyoming, USA
I SISTEMI GEOTERMICI IDROTERMALI
9Un sistema geotermico
idrotermale è formato da tre elementi: la sorgente di calore, il serbatoio ed il fluido, che è il mezzo che trasporta il calore. 9La sorgente di calore può essere una intrusione magmatica a temperatura molto alta (900°C), che si è
posizionata a profondità
relativamente piccola (5‐10 km). Il serbatoio è un complesso di rocce calde permeabili nel quale i fluidi possono circolare assorbendo il calore. 9Il fluido è dato dalle acque fredde meteoriche che si riscaldano per ad opera del flusso di calore (conduzione)
Il serbatoio generalmente è ricoperto da rocce impermeabili e connesso a zone di ricarica superficiali tramite le quali le acque meteoriche possono sostituire le acque surriscaldate che risalgono verso l’alto in modo naturale (sorgenti, geyser, etc.) o che sono estratte mediante pozzi geotermici
L’ESPRESSIONE DEL CALORE TERRESTRE: I VULCANI
Fontana di lava ‐ Arenal, Costa Rica
IL VULCANISMO
¾Il motore del dinamismo terrestre è alimentato dal calore interno della Terra e si manifesta essenzialmente attraverso gli spostamenti reciproci delle numerose placche in cui si articola la litosfera terrestre. ¾La mobilità delle placche litosferiche è facilitata dallo stato duttile in cui si trova la sottostante e più calda astenosfera.
¾Le rocce di quest’ultima si trovano a temperature elevatissime, anche superiori ai 1000°C, e sarebbero pressoché
totalmente fuse se le enormi pressioni esistenti a quelle profondità (in media tra 100 e 250 Km) non ne ostacolassero la fusione. L’espressione più evidente del calore interno alla Terra è data dal vulcanismo, fenomeno naturale oggi assente nei pianeti e nei satelliti geologicamente estinti, quali la Luna
I VULCANI A SCUDO
I vulcani a scudo sono costituiti dall’accumulo di colate laviche a composizione basaltica. L’edificio che ne deriva ha una forma convessa verso l’alto ed ha base circolare o ellittica in pianta. Nei vulcani a scudo l’altezza dell'edificio è mediamente pari a 1/20 del diametro di base. GLI STRATOVULCANI
Gli stratovulcani sono edifici formati dall'accumulo di colate laviche e prodotti piroclastici intercalati, emessi nel corso di ripetute eruzioni che si verificano in corrispondenza del medesimo centro eruttivo. Gli stratovulcani sono caratterizzati dalla presenza di un cratere sommitale che, nel corso di eruzioni fortemente esplosive, può essere significativamente allargato a formare una caldera. LE CALDERE
Crater Lake, Oregon
LE ERUZIONI VULCANICHE EFFUSIVE
Esempio di attività hawaiiana particolarmente intensa: fontana di lava (alta 400 m), emessa durante l’attuale eruzione del vulcano Kilauea.
LE ERUZIONI VULCANICHE EFFUSIVE
Colate di lava pahoehoe e a corde
LE ERUZIONI VULCANICHE EFFUSIVE
Esempio di colata di tipo “aa”
LE ERUZIONI VULCANICHE ESPLOSIVE
Nelle eruzioni pliniane, dal vulcano si eleva una colonna incandescente di gas e ceneri con dispersi brandelli lavici e frammenti rocciosi che sale di diverse decine di chilometri a causa della minore densità
rispetto all'atmosfera ed in alcuni casi può raggiungere la stratosfera. La parte superiore della colonna si allarga quindi a forma di ombrello, da cui cade una fitta pioggia di ceneri, lapilli e pomici. Mt. St.Helens, maggio 1980
LE ERUZIONI VULCANICHE ESPLOSIVE
Prima di risalire a formare l’ombrello, la porzione più densa della colonna può collassare a formare una colata di gas, brandelli lavici e polveri che discende caldissima, con temperature anche superiori ai 600° ed a grande velocità dai fianchi del vulcano con potenza distruttiva; essa può percorrere distanze di oltre cento chilometri prima di arrestarsi e consolidarsi.
