Il modello interno della Terra, Appunti di Scienze della Terra

Scarica Il modello interno della Terra e più Appunti in PDF di Scienze della Terra solo su Docsity! DAI FENOMENI SISMICI AL MODELLO INTERNO DELLA TERRA Come si studia l’interno della Terra Lo studio della struttura interna della Terra si effettua con metodi indiretti: si utilizzano informazioni ricavate dall'analisi delle modalità di propagazione delle onde sismiche e della composizione dei magmi per formulare ipotesi. Queste informazioni, insieme a quelle ottenute dalle misure di grandezze fisiche (densità, temperatura, energia emessa) vengono poi integrate in un unico modello. La densità media della Terra è 5,5 g/cm?, mentre quella della crosta terrestre si aggira intorno a 2,7-3 g/cm?. Una discrepanza così elevata tra i due valori indica che i materiali presenti nelle zone profonde sono molto più densi di quelli superficiali. Per giustificare il valore medio della densità terrestre è necessario che i materiali nella zona centrale abbiano una densità di circa 13 g/cm?, e che perciò vi siano presenti dei metalli. Tale ipotesi è confortata dallo studio di meteoriti provenienti dallo spazio, che contengono ferro e nichel in grandi quantità e ciò significa che questi elementi metallici erano abbondanti nella zona del Sistema Solare in cui si è formato il nostro pianeta. La struttura della Terra non è omogenea ed è costituita da tra involucri, diversi tra loro per composizione chimica e densità: CROSTA, MANTELLO e NUCLEO. Questa zonazione potrebbe derivare da una decantazione dei materiai che, quando il pianeta non era ancora solido, si sarebbero separati secondo la densità: i materiali più densi sarebbero sprofondati verso il centro, mentre quelli meno densi (silicati) si sarebbero spostati verso la superficie. Grazie ai dati forniti dagli studi sulle modalità di propagazione delle onde sismiche è stato possibile conferire validità a tale ipotesi. + Lo studio delle onde sismiche Le onde P e S prodotte dai sismi attraversano anche l'interno della Terra e, quando raggiungono la superficie, possono essere registrate da sismografi di stazionamento. - Se le onde sismiche attraversano un mezzo omogeneo per caratteristiche fisiche e chimiche, procedono in linea retta e si muovono a velocità costante - Se le onde sismiche passano da un mezzo a un altro con proprietà fisiche o composizioni differenti, modificano velocità e direzione di propagazione La VELOCITA' dipende dalle proprietà elastiche dei materiali che attraversano e dalla loro densità: i materiali rigidi e compatti trasmettono le onde P e S più velocemente dei solidi molli; le onde P rallentano nei fluidi, nei quali le onde S non si propagano. La DIREZIONE DI PROPAGAZIONE cambia quando le onde passano da uno strato a un altro con proprietà elastiche nettamente diverse e vengono riflesse o rifratte. L'analisi dei sismogrammi può fornire informazioni indirette sulla composizione e sullo stato fisico dei materiali attraversati dalle onde; i sismogrammi riflettono solo la situazione d'arrivo delle onde sulla superficie; inoltre sui sismogrammi vengono riportate sia le onde che hanno seguito un percorso breve sia quelle che hanno seguito un cammino più tortuoso, perché sono state deviate all'interno della Terra. Le superfici di discontinuità = Superficie che separa due mezzi nei quali le onde sismiche si propagano con direzione e velocità differente >» DISCONTINUITA’ DI MOHOROVICIC (MOHO) Separa la crosta dal mantello sottostante; lungo questa superficie le onde P e S accelerano bruscamente, ciò significa che i materiali che si trovano al di sotto di tale discontinuità sono solidi, ma hanno rigidità e densità diverse dalla crosta terrestre. Perciò la diversa velocità delle onde sismiche dipende da una differente composizione delle rocce del mantello rispetto a quelle della crosta: il mantello sotto la crosta sarebbe composto da peridotiti, rocce ultrafemiche, più rigide e dense delle rocce della crosta. Questa discontinuità ha un andamento sinuoso e presenta una serie di curvature che sembrano l'immagine speculare dei rilievi superficiali: la Moho si trova più in profondità nelle regioni in cui sono presenti rilievi elevati, mentre si avvicina alla superficie in corrispondenza dei fondali oceanici. > DISCONTINUITA’ DI GUTENBERG Separa il mantello dal nucleo; si trova a una profondità regolare e costante (2900 km) ed è una superficie sferica; lungo questa superficie la velocità delle onde P diminuisce sensibilmente, mentre le onde S vengono fermate completamente. Per ciò è necessario ipotizzare che il nucleo, nella sua parte più esterna, sia costituito da materiali allo stato fuso e avrebbero una composizione differente da quella del mantello. > DISCONTINUITA’ MINORI L'individuazione di superfici di discontinuità minori ha permesso di suddividere ulteriormente la crosta, il mantello e il nucleo in zone con proprietà diverse. La DISCONTINUITA' DI LEHMANN (profondità 5170 km) indica il passaggio dal nucleo esterno al nucleo interno. Osservando i sismogrammi prodotti da esplosioni quantità di ferro e nichel, oltre ad altri elementi meno pesanti come silicio, zolfo o ossigeno. La discontinuità di Lehmann separa il nucleo in: - “NUCLEO ESTERNO che si comporta come un fluido, si ritiene sia costituito prevalentemente di ferro e nichel e altri elementi più leggeri come silicio e zolfo; - NUCLEO INTERNO che si comporta come un solido e si ritiene sia costituito essenzialmente da ferro e nichel. La tomografia sismica Con la tecnica della tomografia sismica, in base alle anomalie di velocità rilevate nella propagazione delle onde sismiche, è stato possibile elaborare un modello tridimensionale che mette in evidenza la struttura dei tre involucri che formano la Terra non è omogenea, ma che al loro interno esistono differenze di densità, rigidità e temperatura. La velocità delle onde sismiche varia anche in funzione della temperatura: i materiali più freddi trasmettono le onde sismiche più velocemente di quelli caldi. Calore interno e flusso geotermico La Terra possiede un proprio calore interno che viene in parte disperso verso l'esterno. La Terra emette nello spazio più calore di quanto ne riceva complessivamente dal Sole (sorgente interna di calore). La quantità di energia termica emessa da un'unità di superficie terrestre in un secondo è detta FLUSSO GEOTERMICO (0,06 W/m?), un valore non costante sulla superficie terreste. Nelle aree continentali non è molto elevato, mentre nelle regioni geologicamente giovani è quasi doppio rispetto alle regioni più antiche e inattive dal punto di vista sismico e vulcanico. Sui fondali oceanici, il flusso geotermico è molto elevato in corrispondenza delle dorsali oceaniche e diminuisce allontanandosi da queste; nelle fosse oceaniche si registrano i valori minimi. » LA GEOTERMA | valori di temperatura registrati sulla superficie terrestre dipendono principalmente dalla radiazione solare, mentre in profondità la temperatura aumenta esclusivamente per effetto del calore interno. Il gradiente geotermico è abbastanza costante (3°C ogni 100m di profondità), ma l'incremento non può essere costante. Secondo i dati analizzati solo il nucleo si comporta come un fluido, come descrive l'andamento della geoterma, la curva che indica l'andamento della temperatura in funzione della profondità; si ritiene che l'aumento di temperatura con la profondità non rispetti il gradiente geotermico. In base al modello delle onde sismiche e considerando la pressione esistente all'interno della Terra, si stima che al centro della Terra la temperatura sia compresa fra 4000°C e 4500°C. L'origine del calore interno della Terra Una parte (CALORE PRIMORDIALE) deriva dall'energia accumulata durante gli stadi iniziali della storia della Terra: questo calore non è ancora stato del tutto disperso perché i materiali solidi, che costituiscono parte della massa della Terra, hanno una bassa conducibilità termica (=attitudine di un materiale di trasmettere calore) e rilasciano il calore molto lentamente. La fonte principale è la RADIOATTIVITA' NATURALE delle rocce della crosta e del mantello: nelle rocce si trovano infatti degli isotopi radioattivi (=atomi con nucleo instabile che hanno la caratteristica di trasformarsi spontaneamente in atomi di elementi diversi, emettendo radiazioni ad alta energia e particelle) con un tempo di dimezzamento molto lungo. Il loro decadimento radioattivo è spontaneo e produce energia che viene dissipata all'esterno sotto forma di calore (tra le rocce della crosta che contengono la maggior percentuale di elementi radioattivi sono i graniti, abbondanti nella crosta continentale e assenti in quella oceanica). Si ritiene che il calore rilasciato dalla Terra in corrispondenza dei fondali oceanici provenga in massima parte dal mantello che contiene una minore percentuale di sostanze radioattive ma ha una massa molto più grande della crosta, perciò può produrre una quantità di calore abbastanza elevata. Il mantello, pur essendo solido, può comportarsi in modo plastico come un fluido molto viscoso a causa delle condizioni di temperatura e pressione. Nel mantello possono quindi verificarsi MOTI CONVETTIVI: dalle zone profonde risalgono lentissime correnti ascendenti di materiali più caldi e meno densi che rilasciano all'esterno parte della loro energia termica, si raffreddano e generano così correnti discendenti di materiali più densi e relativamente freddi. - Convezione, con cui il calore viene trasmesso nel mantello - Conduzione: passaggio di energia cinetica da un corpo più caldo a uno più freddo posti a contatto, mediante le vibrazioni e gli urti tra le particelle che li costituiscono; la propagazione è limitata a causa della scarsa conducibilità termica delle rocce - lrraggiamento, emissione di radiazioni, di onde elettromagnetiche e dell'infrarosso; la propagazione è ancora meno efficiente a causa della elevata opacità dei materiali della litosfera Il campo magnetico terrestre La Terra possiede un campo magnetico prevalentemente dipolare generato nel nucleo terrestre. Dal polo sud escono le linee di forza del campo geomagnetico che si chiudono poi entrando nel polo nord. Il campo magnetico terrestre ha un'intensità che diminuisce con la distanza dal pianeta. La regione che circonda la Terra in cui si risente l'azione del campo geomagnetico è detto MAGNETOSFERA e costituisce una sorta di scudo protettivo contro le radiazioni cosmiche. È possibile misurare la direzione delle linee di forza del campo geomagnetico mediante una bussola, mentre l'intensità (forza esercitata dal campo magnetico terrestre nel punto considerato) utilizzando un magnetometro. >» LA MAGNETOSFERA Oltre la zona più esterna della litosfera si estende la magnetosfera, costituita da particelle cariche provenienti dal vento solare e attratte dal campo magnetico terrestre. Le particelle si dispongono secondo le linee di forza del campo geomagnetico e quando le particelle cariche interferiscono con la magnetosfera, viene modificato sia il percorso delle particelle, sia l'andamento delle linee di campo. L'interferenza del campo magnetico terrestre e il vento solare provoca la compressione da parte del campo magnetico rivolta verso il Sole e il corrispondente trascinamento dalla parte opposta. Le particelle ionizzate si concentrano in due zone toroidali, le FASCE DI VAN ALLEN: una costituita da protoni e l'altra da elettroni. Queste fasce proteggono la Terra dalle radiazioni solari; la concentrazione delle particelle ionizzate è massima in corrispondenza delle zone equatoriali e va annullandosi verso i poli. La Terra è situata nel vuoto centrale della fasce di van Allen; talvolta particelle ionizzate delle fasce possono arrivare fino alla termosfera, provocando le aurore polari, fenomeni dove le particelle cariche, per l'andamento delle linee di forza, vengono convogliate più facilmente. Origine del campo magnetico