Il racconto delle scienze naturali: esplorazione dell'interno della Terra

ZANICHELLISimonetta Klein

Il racconto delle scienze naturali

ZANICHELLICapitolo 5

L'energia della Terra

ZANICHELLISommario

1. Il pianeta Terra
2. Esplorare l'interno della Terra
3. La dinamica della litosfera
4. Il magnetismo terrestre
5. Le prove del movimento dei continenti

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ZANICHELLIIl pianeta Terra

La superficie terrestre è composta da aree continentali (terre emerse) e fondali oceanici. I continenti si distinguono in: · cratoni (le vaste regioni centrali di ogni continente); · bacini (le zone continentali pianeggianti con una leggera concavità rivolta verso l'alto e costituite da roccia sedimentaria);

80° 30 Equatore cratoni scudi tavolati 2000 kilometri orogeni 30° alpino- himalayano mesozoico ercinico 180° 120° 90° 60° 30° 0° 30° 60° 90° 120° 180 caledonico · orogeni (le catene montuose del Pianeta).

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ZANICHELLIIl pianeta Terra

Il confine fra le terre emerse e le acque marine è segnato dalla linea di costa. I fondali oceanici presentano le seguenti strutture: · la piattaforma continentale, adiacente alla linea di costa; · la scarpata continentale; · la piana abissale, un'estesa pianura sottomarina; · la fossa oceanica, una depressione del fondale; · la dorsale oceanica, un'immensa catena di rilievi vulcanici.

piattaforma continentale piana abissale dorsale oceanica rilievi sottomarini piattaforma continentale scarpata continentale fossa oceanica

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ZANICHELLIEsplorare l'interno della Terra

· Per trarre informazioni dall'interno del nostro pianeta occorre sfruttare diversi metodi indiretti che permettono di «radiografare» la Terra, in un modo non definitivo. Il modello più dettagliato e completo delle profondità terrestri deriva dalla sismologia, tramite lo studio del comportamento delle onde sismiche, che percorrono l'interno del Pianeta con direzioni e velocità variabili in funzione delle caratteristiche meccaniche del mezzo attraversato. . Le traiettorie delle onde sismiche (P e S) sono incurvate, indice di un progressivo aumento della rigidità e della densità dei materiali attraversati.

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ZANICHELLIEsplorare l'interno della Terra

Le onde sismiche attraversano superfici di discontinuità che separano materiali con proprietà meccaniche diverse. Le principali sono: · Mohorovičić, (o Moho) che separa la crosta dal mantello; · Gutenberg fra il mantello e il nucleo esterno; · Lehmann che separa il nucleo esterno da quello interno. Le onde sismiche (P e S) non emergono in ogni punto della superficie terrestre: vi sono delle ampie zone d'ombra alle quali esse non arrivano, come se in profondità vi fosse uno «schermo» che le assorbe o le devia.

mantello nucleo esterno nucleo interno ipocentro onde P onde S

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ZANICHELLIEsplorare l'interno della Terra

· Studi sulle velocità delle onde sismiche consentono importanti inferenze di tipo chimico e fisico. · La tomografia sismica integra dati sismici di numerosi sorgenti e ricevitori e ricostruisce le profondità terrestri a partire dalle variazioni di velocità delle onde sismiche.

pseudocolor var: reg 1/dvav 0.02500- 0.01290 0.000- -0.01 250- -0.02500 maximum: 0.1633 minimum: - 0.1679

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ZANICHELLIEsplorare l'interno della Terra

Il primo strato roccioso, al di sopra della discontinuità Moho, è la crosta. · Le masse rocciose separate dalla Moho hanno diversa composizione e struttura: la crosta ha minore densità del mantello sottostante e composizione più acida. · Lo spessore della crosta non è uniforme: la profondità della Moho varia da 4-10 km sotto la crosta oceanica a 20-70 km sotto la crosta continentale.

crosta continentale crosta oceanica litosfera 0 mantello 100 km 200 · Al di sotto della Moho inizia il mantello.

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ZANICHELLIEsplorare l'interno della Terra

· La suddivisione fra crosta e mantello si basa sul modello composizionale della Terra, basato sui materiali che compongono ogni strato. Il modello reologico, invece, evidenzia le proprietà meccaniche dei gusci interni del Pianeta e prende in esame le velocità delle onde sismiche. Questo modello distingue: litosfera, astenosfera, mesosfera, nucleo.

Aree continentali Aree oceaniche 10 Crosta Crosta 40 Litosfera Litosfera Astenosfera Astenosfera Mantello Mantello Mesosfera Mesosfera 3000 Nucleo esterno Nucleo esterno Nucleo Nucleo Nucleo interno Nucleo interno 6000 Confronto tra il modello composizionale (in rosso) e il modello reologico (in blu).

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ZANICHELLIEsplorare l'interno della Terra

· Litosfera. E lo strato esterno rigido ed elastico nel quale la velocità delle onde sismiche aumenta con la profondità. E costituita dalla crosta e dallo strato più esterno del mantello. · Astenosfera. Giace alle profondità comprese fra circa 250 e 300 km dalla superficie. · Mesosfera. E lo strato al di sotto dell'astenosfera, oltre i 400 km di profondità; qui il mantello torna a essere rigido e indeformabile. · Nucleo esterno. Inizia a 2900 km di profondità, in coincidenza con la superficie di Gutenberg; costituito in massima percentuale da ferro e nichel fusi. La massa liquida è densissima e caldissima. · Nucleo interno. La discontinuità di Lehmann, a 5100 km di profondità, separa il nucleo esterno dall'interno, che è solido e con temperature ai massimi valori.

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ZANICHELLILa dinamica della litosfera

La litosfera è in lentissima e continua evoluzione: lo testimoniamo il vulcanismo e la sismicità, i lenti movimenti verticali della litosfera e il fenomeno dell'isostasia, le anomalie del flusso di calore e il magnetismo terrestre. I vulcani e gli epicentri dei terremoti hanno analoga distribuzione.

vulcano · epicentro sisma La maggior parte dei vulcani si concentra lungo i margini di alcuni continenti, come la costa occidentale del continente americano, lungo il margine meridionale del continente eurasiatico, nell'Africa centro-orientale nella zona dei laghi (Kilimangiaro, Kenya e Ruwenzori) e negli archi insulari (Giappone, isole Aleutine, Indonesia).

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ZANICHELLILa dinamica della litosfera

Con il termine isostasia si intende lo stato di equilibrio che è raggiunto da un corpo solido che sovrasta un materiale con maggiore densità (e quindi capace di sostenerlo), ma con un comportamento plastico, ossia deformabile, simile a un fluido. L'isostasia spiega il comportamento della Moho, la superficie di discontinuità che separa crosta e mantello litosferico.

Sud America 7 Oceano Atlantico Africa Oceano Indiano Australia Oceano Pacifico crosta litosfera Moho mantello litosferico astenosfera La profondità della Moho è maggiore al di sotto dei continenti, soprattutto sotto le radici delle grandi catene montuose, rispetto al fondo degli oceani; lo stesso accade alla zona di confine che separa la litosfera dall'astenosfera.

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ZANICHELLILa dinamica della litosfera

· L'astenosfera ha maggiore densità della litosfera, quindi la sostiene; tuttavia ha un comportamento plastico (cioè è deformabile sotto l'azione di una forza). · I blocchi litosferici ricevono dall'astenosfera una spinta che li sostiene, ma affondano in essa in proporzione al loro peso. · È il principio di Archimede, che in genere si studia in relazione agli iceberg: un iceberg galleggia nell'acqua di mare emergendo per una parte che è tanto più elevata quanto più profonda è la base della sua parte sommersa.

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ZANICHELLILa dinamica della litosfera

L'effetto contrario si verifica dove si accumulano sedimenti che incrementano il carico sugli strati più profondi: la litosfera sprofonda leggermente in base a un fenomeno definito subsidenza.

erosione sollevamento deposito subsidenza

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ZANICHELLILa dinamica della litosfera

· Andando in profondità, all'interno della Terra la temperatura aumenta progressivamente con un andamento abbastanza regolare che non dipende più dai fenomeni atmosferici, ma solo dagli aspetti geologici che caratterizzano le rocce. · È definito gradiente geotermico l'aumento di temperatura, espresso in gradi centigradi, che si ha ogni 100 metri di profondità. · In media, nella crosta, il gradiente termico ha un valore di 2-3 ℃ ogni 100 metri di profondità, con ampie variazioni dovute alle caratteristiche geologiche locali.

profondità (m) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 0 10 20 30 40 temperatura (C)

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ZANICHELLILa dinamica della litosfera

· Per stimare le temperature interne terrestri occorrono attenti lavori sperimentali. La temperatura è di 3700 ℃ al confine nucleo-mantello e di circa 5000 ℃ al centro della Terra. Nei tratti in cui la geoterma si trova sotto la curva di fusione, come nella crosta, nel mantello e nel nucleo interno, le rocce sono allo stato solido, mentre nei tratti in cui la geoterma si trova sopra la curva di fusione, come nel nucleo esterno, le rocce sono allo stato fuso. In corrispondenza dell'astenosfera, invece, le due curve si toccano, segno che vi sono materiali in parte solidi e in parte fusi.

temperatura (C) STATO FUSO 4000 curva d'inizio fusione del mantello la geoterma è sotto il punto 3000 temperatura di fusione del nucleo di fusione 2000- la geoterma è sotto il punto di fusione STATO SOLIDO 1000 nucleo interno - mantello nucleo esterno fuso solido 0- 0 400 1000 2000 3000 4000 5000 6000 700 2900 5150 6371 profondità (km)

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· Uno dei risultati più significativi di questo tipo di ricerche è la curva geoterma, che riporta l'andamento delle temperature in funzione delle profondità. la geoterma è sopra il punto di fusione