Struttura interna e caratteristiche
fisiche
STUDIO DELLA STRUTTURA
INTERNA DELLA TERRA
Lo studio della struttura interna della terra è particolarmente complesso. La scienza che studia
questi fenomeni è la geofisica o fisica della terra. E’ una scienza relativamente molto giovane
che si basa sulle proprietà globali e sulle le teorie fisiche per spiegare i fenomeni interni della
terra, non potendoli studiare attraverso metodi diretti:
•Dati forniti dallo studio delle caratteristiche fisiche della terra
•Dati forniti dallo studio dei meteoriti
•Dati forniti dallo studio di onde sismiche
DATI FORNITI DALLE
CARATTERISTICHE FISICHE
DELLA TERRA
Vengono utilizzate nozioni relative alla densità e altre proprietà fisiche dei materiali, per
formulare ipotesi sulla costituzione chimica e mineralogia e sulla situazione termica
degli strati che non possiamo osservare direttamente.
La densità è la nozione più importante ed è il rapporto tra la massa di 1 corpo e il volume
che occupa( d = m/v ).
DATI FORNITI DALLO
STUDIO DELLE METEORITI
Gli studiosi hanno sempre cercato di capire quali fossero i materiali presenti all’interno della
terra; questi come abbiamo già visto dovrebbero avere densità molto elevata infatti per quanto
possano comprimersi i materiali a base di silice sotto l’effetto della forte pressione all’interno
della terra essi non potranno mai avere densità tanto elevata da arrivare a circa 13g/cm3. Per
questo si è pensato che negli strati prossimi al nucleo ci possa essere la presenza di metalli.
Tale ipotesi è conformata dallo studio delle meteoriti: infatti in molte di esse è presente
un’abbondante percentuale di ferro e nichel e ciò significa che questi materiali erano presenti
nella regione del sistema solare in cui si è formato il nostro pianeta.
DATI FORNITI DALLO
STUDIO DELLE ONDE
SISMICHE
I dati più importanti sono forniti dalle onde sismiche . Tramite lo studio dell’andamento delle onde P
e delle onde S si può capire quali materiali esse attraversino. A tale scopo bisogna determinare la
velocità di queste onde e stabilire se ci sono state deviazioni dovute alla presenza di superfici di
discontinuità. Per quanto riguardo la velocità, sappiamo che i materiali rigidi e compatti trasmettono
più velocemente rispetto a materiali molli e incoerenti. Mentre nei fluidi le onde P rallentano, e le
onde S vengono completamente fermate, se il mezzo attraversato dalle onde è omogeneo, esse
procedono in linea retta, mentre se il mezzo attraversato cambia improvvisamente le caratteristiche
fisiche, le onde vengono rifratte o riflesse secondo le leggi dell’ottica geometrica. Sono state
scoperte delle superfici di discontinuità che separano due mezzi con caratteristiche chimiche e fisiche
molto differenti.
La variazione della velocità delle onde sismiche P e S attraverso la terra ha
consentito di riconoscere le principali discontinuità del suo interno
Nell’ordine dalla crosta al nucleo la terra è così
strutturata:
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Crosta
Discontinuità di Mohorovicic o Moho
Mantello
Discontinuità di Gutenberg
Nucleo esterno
Discontinuità di Lehmann
Nucleo interno
Crosta
La crosta, in geologia e in geofisica, è uno degli involucri concentrici in cui è suddivisa la
Terra: per la precisione si intende lo strato più esterno della Terra solida, con uno
spessore variabile dai 5 ai 35 chilometri.
Il limite superiore è dato dalla superficie di contatto tra la geosfera e l'atmosfera o
l'idrosfera. Esistono due tipi di crosta:
Crosta continentale: ha una densità media di 2,7
g/cm3.E’ una struttura variabile composta
principalmente da rocce sialiche (alta
percentuale di silicio) ricoperte da una coltre di
sedimenti. Le rocce presenti sono eterogenee:
magmatiche, sedimentarie e metamorfiche.
La crosta continentale ha una storia lunghissima
e travagliata testimoniato dalla presenza di
catene montuose, di faglie, di vulcani .
Crosta oceanica: è sommersa dall’acqua
degli oceani e ha uno spessore di pochi km.
Ha una densità media di 3g/cm3.
La struttura è regolare in quanto costituita
ovunque da tre strati sovrapposti: sedimenti,
basalti, gabbri. Quindi ha una composizione
più femica rispetto alla crosta continentale.
Discontinuità di Moho
Nel 1909, il geofisico croato Andija Mohorovičić (1857 - 1936), analizzando il terremoto di
Pokuplje (valle di Kupa) dell'8 ottobre, individuò particolari arrivi di onde sismiche che
potevano essere spiegati solo con un brusco aumento di densità ad una profondità di una
quarantina di chilometri. L'aumento di densità (e il susseguente aumento di velocità) venne
spiegato con una variazione di composizione al passaggio tra crosta e mantello; la
discontinuità prese il nome di superficie di Mohorovičić, in breve Moho.Sotto le catene
montuose la Moho può raggiungere la profondità di 60-70 km. Sotto gli oceani è intorno ai 1020 km, ma arriva quasi a zero in corrispondenza delle dorsali oceaniche.
Mantello
Compreso tra la crosta e il nucleo, il mantello ha uno spessore di circa 2900 km, rappresenta
l’80% in volume dell’intero pianeta ed è costituito essenzialmente da rocce ultrafemiche di
alta pressione ricche di ferro e di magnesio. La pressione al contatto mantello/nucleo esterno è
pari a un milione e mezzo di atmosfere (140 GPa). Compreso fra due discontinuità è possibile
suddividere ulteriormente il mantello in due strati distinti, sempre in funzione della velocità di
propagazione delle onde sismiche: il mantello superiore, di circa 700 km di spessore trasmette
le onde sismiche a velocità ridotte rispetto al mantello inferiore o mesosfera, di oltre 2000 km.
Il Mantello superiore consta a sua volta di due parti distinte: il mantello litosferico che,
insieme alla crosta sovrastante, costituisce la litosfera, e quella inferiore, comunemente detto
astenosfera.La litosfera è rigida ed elastica con spessore diverso in corrispondenza delle aree
continentali e oceaniche, mentre l'astenosfera si trova in uno stato di fusione parziale(strato
plastico) probabilmente a causa della presenza, insieme al solido, di una piccola percentuale di
materiale fuso.
(vedi immagine)
Discontinuità di Gutenberg
La discontinuità di Gutenberg è la superficie sferica di separazione tra il mantello e il nucleo
esterno.
In
corrispondenza di questa discontinuità la velocità delle onde P diminuisce sensibilmente,
mentre le onde S vengono fermate completamente ( proprietà onde S e P ). Per spiegare quanto
detto si è ipotizzato quindi che al di là della discontinuità di Gutenberg il materiale sia allo
stato fuso.
Nucleo
Il nucleo ha un raggio che è la metà del raggio terrestre e costituisce più del 14% del volume
totale della terra. Ha una densità che va dai 9,7 ai 13g/cm3. Le teorie sulla composizione e
struttura del nucleo sono solo congetture.Possiamo suddividere il nucleo in esterno ed interno.
Nucleo esterno: si comporta come un fluido; si ritiene sia costituito prevalentemente da ferro e
nichel, e altri elementi più leggeri come silicio e zolfo; ha uno spessore di circa 2270 Km.
Nucleo interno: si ritiene sia costituito essenzialmente da nichel e ferro e nonostante abbia una
temperatura prossima al punto di fusione, grazie all’elevatissima pressione di fronte a
sollecitazioni improvvise si comporta come un solido.
Questi sono divisi da una superficie detta discontinuità di Lehmann. Fu scoperta negli anni
sessanta osservando che le onde P che attraversano il nucleo in parte vengono riflesse in parte
rifratte, subendo una brusca accelerazione.
Temperatura
Si è presupposto che la temperatura all’interno della terra cresca considerevolmente
procedendo verso il centro di essa. A partira da una profondità di 15-30 m la temperatura
aumenta di circa 3°C ogni 100 m di profondità. Questo aumento di temperatura in funzione
della profondità prende nome di gradiente geotermico. Il valore del gradiente geotermico
non è costante: infatti se lo fosse la temperatura al centro della terra dovrebbe essere di circa
200000°C. La terra dovrebbe perciò essere per lo più allo stato fuso ma ciò è in contrasto con i
rilevamenti dei sismografi. La temperatura della terra nel nucleo è stimata invece intorno ai
4000C°-4500C°.
Che l’interno della terra sia più caldo della superficie è confermata da numerosi dati
sperimentali. Un dato in particolare viene considerato significativo: la terra emette nello spazio
più calore di quanto ne riceva complessivamente dal sole. La quantità di calore emessa da
un’unità di superficie in un secondo è chiamata flusso geotermico. In media esso è di circa 1,5
cal/cm3/s ma non è costante in quanto è molto più elevato nei territori di nuova formazione o
sulle dorsali oceaniche rispetto ai territori di antica formazione e nelle fosse oceaniche.
Diagrammi illustrativi della variazione della temperatura, pressione e
densità in relazione alla profondità della terra
Il calore interno della terra
Il calore interno della terra si può originare in due modi:
ENERGIA GRAVITAZIONALE
RADIOATTIVITA’ NATURALE
(CALORE PRIMORDIALE)
(CALORE DELLE ROCCE RADIOATTIVE)
Durante gli stadi iniziali della formazione della terra
si è sviluppata un’enorme quantità di energia che ha
portato alla fusione dei materiali presenti. Una volta
raffreddati, la terra, ha assunto lo stato solido,
conservando dentro di sé una parte del calore
primordiale.
Tra gli elementi presenti nelle rocce si trova sempre
una piccola quantità di Isotopi radioattivi con un
periodo di semivita molto lungo. l loro decadimento
radioattivo produce energia dissipata all’esterno
sotto forma di calore.
Calore derivato per radioattività
ROCCE DELLA CROSTA
ROCCE DEL MANTELLO
(30-35% del flusso totale)
Sono numericamente minori ma data
la massa molto grande del mantello,
viene prodotta una quantità di calore
elevata, che viene rilasciata
specialmente sui fondali oceanici.
Importante soprattutto nelle aree
continentali dove elementi come uranio,
potassio e torio si trovano facilmente.
Trasmissione del calore dal
mantello alla litosfera
Principalmente il calore dal mantello alla litosfera viene trasmesso per CONVEZIONE, anche
se in minima parte vengono utilizzati anche i meccanismi di conduzione e irragiamento.
La CONVEZIONE è un fenomeno tipico dei fluidi posti a contatto con una sorgente di calore
che li riscalda in modo non uniforme. Il fluido quindi aumenta di temperatura, si espande e
riduce la sua densità. Di conseguenza tende a salire, spostando lateralmente il materiale piu
freddo e denso che invece tende a scendere: si formano così delle CORRENTI ASCENDENTI e
delle CORRENTI DISCENDENTI.
Questo fenomeno di convezione, nel mantello, fa si che i volumi dei materiali riscaldati
generino lente correnti ascendenti che raggiungono la litosfera. Il materiale caldo, una volta
giunto sulla litosfera, verrebbe poi spinto lateralmente e raffreddato, aumentando di intensità.
Anche se non esistono dati definitivi, si ritiene che le celle convettive siano la causa dei valori
anomali del flusso geotermico registrato sui fondali.
Il campo magnetico terrestre
Il campo magnetico terrestre può essere immaginato come una barra magnetica , dotata di due
poli. Le linee di campo o di forza escono dal polo sud magnetico e rientrano nel polo nord
magnetico ( sono zone definite della crosta terrestre e non coincidono con il nord e il sud
geografico ).
La regione in cui si risente dell’azione del campo del campo magnetico terrestre è detta
magnetosfera. Essendo un campo ha una una direzione, un’intensità e un verso che possono
essere misurate in ogni luogo della superficie terrestre. La direzione è il verso delle linee di
campo possono essere determinate grazie all’utilizzo della bussola. L’intensità può essere
rilevata con uno strumento molto sensibile chiamato il magnetometro.
Sono state studiate delle variazioni dell’intensità e della direzione del campo magnetico: un
esempio è l’inversione di polarità.
Immagine 1
Immagine 2
Le rocce magnetiche e il
paleomagnetismo
Le rocce che contengono minerali ferromagnetici e alcuni tipi di rocce sedimentarie al
momento della loro formazione vengono dotati di un campo magnetico indotto dal campo
magnetico terrestre presente al momento.Questo campo rimane costante nel tempo
indipendentemente dalla induzione di altri campi magnetici esterni di creazione postuma.Il
minerale perde la sua magnetizzazione permanete solo se la sua temperatura sale sopra il
punto di Curie.
La magnetizzazione permanente nelle rocce magmatiche è detta magnetizzazione
termorimanente (TRM), quella delle rocce sedimentarie è detta magnetizzazione detritica
rimanente (DRM). Questa magnetizzazione è permanente e per questo è detta
paleomagnetismo(magnetismo fossile).Lo studio del paleomagnetismo è molto importante per
risalire all’ètà delle rocce.Inoltre grazie a questo fenomeno si scoprirono le inversioni di
polarità della terra.Ecco perché il campo magnetico terrestre non è costante in ogni punto della
superficie della terra (anomalia magnetica).