La superficie del nostro pianeta è costituita da una parte rocciosa, prevalentemente solida, detta litosfera, una parte liquida, detta idrosfera (che comprende tutte le acque presenti sulla Terra: mari, laghi fiumi, acque sotterranee, ghiacci polari e ghiacci di montagna) e una parte aeriforme, l'atmosfera.
L'interno della Terra costituito da tre involucri fondamentali, diversi per spessore, composizione e densità, ai quali si dà il nome di crosta, mantello e nucleo. Il centro della Terra si trova ad una profondità di 6371 Km.
Il modello della struttura interna della Terra si basa soprattutto sullo studio delle onde sismiche che si propagano in profondità. La velocità di queste onde rivela brusche variazioni a profondità precise, che segnalano la presenza di strati differenti, ossia di discontinuità che segnano il limite tra le varie parti del pianeta: tra crosta e mantello, tra mantello e nucleo e tra nucleo esterno e nucleo interno.
La crosta
La crosta terrestre è lo strato più esterno: costituisce un involucro rigido e sottile, delimitato verso il basso dalla discontinuità di Mohorovicic´, dal nome del suo scopritore, il geofisico iugoslavo A. Mohorovicic´ (1857-1936), detta anche più semplicemente Moho. La crosta terrestre viene distinta in crosta continentale, quella che costituisce i continenti, e crosta oceanica, che forma i fondali oceanici; esse differiscono per spessore, densità e composizione.
La crosta continentale ha uno spessore medio di 35-40 km, ma può arrivare fino a più di 70 km in corrispondenza delle più alte catene montuose. Ha una densità attorno a 2,8 g/cm3 ed è composta essenzialmente da rocce granitiche (rocce intrusive), via via più basiche procedendo dalla superficie verso la Moho. Inoltre, le rocce che la costituiscono possono avere diverse età, fino a circa 4 miliardi di anni.
La crosta oceanica, più sottile rispetto alla crosta continentale, ha uno spessore medio di circa 7-10 km e una densità media di 3 g/cm3 ed è costituita da rocce basaltiche (rocce effusive) ricche di alluminio, silicio, ferro. La crosta oceanica risulta ovunque tripartita: in superficie essa è coperta da uno spesso strato di rocce sedimentarie, soprattutto fanghi silicei e calcarei (strato 1), al di sotto si ritrova ovunque un grosso strato di rocce eruttive basaltiche (strato 2), che in profondità passa a gabbro (roccia intrusiva) (strato 3). L'età delle rocce che costituiscono la crosta oceanica non supera i 200 milioni di anni.Il mantello
Al di sotto della discontinuità di Moho comincia il mantello, che si estende fino alla discontinuità di Gutenberg, alla profondità di circa 2900 km. La densità passa da circa 3 g/cm3 in prossimità della Moho sino a 5,6 g/cm3 nelle parti più profonde; in esso la temperatura aumenta da poche centinaia di gradi, vicino alla Moho, fino a più di 4000 °C presso la discontinuità di Gutenberg; anche la pressione aumenta con la profondità, da 9 kbar a circa 1400 kbar (1 kbar = 1000 bar, circa mille volte il valore della pressione atmosferica a livello della superficie terrestre). Il mantello è composto da rocce dense e pesanti, relativamente povere di silicio ma ricche di ferro e magnesio.
Il nucleo
Al di sotto della discontinuità di Gutenberg si trova il nucleo, un grosso nocciolo il cui raggio misura circa 3470 km, più di metà del raggio terrestre. La densità è di circa 10 g/cm3 a livello della discontinuità di Gutenberg e aumenta progressivamente fino a circa 13,5 g/cm3, il che depone a favore dell'idea di un brusco cambiamento della composizione chimica; la temperatura sale da 4000 °C in prossimità del mantello fino a oltre 5000 °C al centro della Terra; anche la pressione aumenta da 1400 kbar fino a oltre 3600 kbar.
Lo studio delle onde sismiche ha inoltre permesso di distinguere nel nucleo due strati: il nucleo esterno, liquido, in cui le onde sismiche di tipo S non si propagano, separato dalla discontinuità di Lehmann dal nucleo interno, solido.
In merito alla composizione chimica del nucleo, si possono fare solo delle ipotesi: attualmente si tende a credere che esso sia composto da una lega di elementi come il ferro e il nichel, forse con l'aggiunta di altri elementi più leggeri, come lo zolfo e il silicio. Il nucleo è responsabile di una delle caratteristiche peculiari della Terra, la presenza di un campo magnetico terrestre. Questo può essere registrato da strumenti come la bussola e anche dalle rocce al momento della loro formazione e nel tempo può subire variazioni tanto forti da portare allo scambio di posizione dei poli stessi.
approfondimento: Scoperto il doppio nucleo del pianeta con la tomografia sismica
La Litosfera
la crosta terrestre e la parte superiore del mantello (mantello litosferico) costituiscono un'unica struttura rigida, indicata con il nome di litosfera (dal greco lithos, pietra), il cui spessore varia da circa 70 km, sotto i bacini oceanici, a circa 100 km sotto i continenti, ma può raggiungere spessori di 300 km sotto le aree continentali più antiche. Se sottoposta a tensioni, la litosfera si comporta in modo prevalentemente rigido ed è suddivisa in un certo numero di placche , in movimento relativo tra loro, galleggianti sopra l'astenosfera.
I MOTI CONVETTIVI DEL MANTELLO
1. Il motore interno della Terra
I vulcani sono una chiara manifestazione del calore della
Terra. Pochi sanno che anche i terremoti sono una conseguenza
dell’energia termica interna, il motore capace di metterne
letteralmente in moto la superficie terrestre e di creare
manifestazioni talvolta devastanti. La dinamica profonda del pianeta è
il risultato di un fenomeno fisico di grande importanza: la convezione, osservabile in un comune termosifone.
2. Come un termosifone
La stessa cosa avviene nelle rocce all'interno della Terra, perché tra la superficie e l’interno del pianeta c’è una grande differenza di temperatura (alcune migliaia di gradi).
Per scambiare il calore tra il sopra molto freddo e il sotto molto caldo le rocce si spostano: ciò che è caldo, perciò leggero, sale; mentre ciò che è freddo, più denso e pesante, scende. Risalendo in superficie, le rocce calde si raffreddano e, aumentando la loro densità, sprofondano nuovamente all'interno del pianeta dove, riscaldandosi nuovamente, alimentano il moto delle celle convettive. Ecco che così, nelle rocce all'interno della Terra, il fenomeno fisico della convezione muove ingentissime masse di materiali e produce notevoli fenomeni geologici sulla superficie.
Guarda il video su youtube "Eath power Of the Planet"
3. Dove si trova il motore?
Noi viviamo sulla crosta terrestre, lo strato più esterno del pianeta, spesso appena dai 7 ai 70 Km.
Sotto di essa, i geofisici hanno individuato il motore interno della Terra, situato nel mantello, un guscio spesso 2900Km, che arriva fino al nucleo esterno del pianeta.
Nel mantello le rocce non sono immobili, ma si spostano soggette alla convezione, un fenomeno che ha importanti ripercussioni sulla crosta terrestre, modificandone profondamente l’aspetto della superficie e, attraverso il calore rilasciato dai moti convettivi, contribuisce a riscaldarla.
La convezione del mantello è responsabile della frantumazione della litosfera (l’involucro esterno rigido della Terra composta dalla crosta e da una piccola porzione di mantello) in placche tettoniche, e della conseguente deriva dei continenti, che oggi è chiamata, più correttamente, teoria della tettonica delle placche.
4. L'origine del calore della Terra
Scendendo nelle profondità della crosta il calore aumenta, approssimativamente di 2-3 °C ogni 100 metri di profondità (gradiente geotermico). Se quest’andamento si mantenesse costante il centro della Terra avrebbe una temperatura di 190.000 °C, il ché comporterebbe la totale fusione del pianeta.
Fortunatamente per noi, la temperatura interna della Terra segue una curva chiamata geoterma, per la quale si mantiene, per lo più, al di sotto della temperatura di fusione delle rocce. Ciò non toglie che la terra è calda, ed è tanto più calda quanto ci avviciniamo al suo nucleo. Ma da dove arriva tutto questo calore?
Gran parte del calore della Terra (circa il 40%) deriva dal decadimento degli isotopi radioattivi (uranio, torio e potassio) presenti nelle rocce.
Il resto è da attribuire al calore primordiale, generato 4.550 milioni di anni fa, quando si formò il nostro pianeta e giunto fino ai nostri giorni in gran parte.
5. Pressione, temperatura e uova sode
Come può essere che le rocce a temperature superiori a 1000°C, e anche più, siano solide? Con tutto quel calore l’interno della Terra non dovrebbe essere completamente fuso?
Il passaggio di stato (solido, liquido, aeriforme) non è solo questione di temperatura, ma è anche legato alla pressione, proprio come la difficoltà di far cuocere un uovo sul Monte Bianco: a 5000 metri di altezza, la pressione è nettamente ridotta rispetto al livello del mare, ragione per la quale l’acqua bolle prima, a 70 gradi. Al contrario, aumentando la pressione, i materiali fondono a temperatura più alta.
Ora immaginate di reggere miliardi di tonnellate di roccia sopra la vostra testa: non sentireste una certa “pressione” sopra di voi? Ed è proprio quello che succede ai materiali man mano che si procede verso il centro della Terra: la temperatura aumenta ma aumenta il peso delle rocce sovrastanti (carico litostatico) e quindi la pressione.
Ed è questo il motivo per cui le rocce possono rimanere solide a grandi temperature (ad eccezione del nucleo esterno nel quale la temperatura supera comunque la capacità della pressione di tenerlo solido).
Gli scienziati confrontando il grafico delle
temperature, delle pressioni e formulando ipotesi sulla composizione
chimica del pianeta sono riusciti a ricostruire l’interno del pianeta
Terra.
6. I moti convettivi nel mantello:
sono possibili ?
Perché si possa instaurare la convezione è necessario che nel mantello via sia una differenza di temperatura tra la superficie e la zona più profonda (differenza stimata nell'ordine di 2500 °C) e che il materiale sia liquido, cosa improbabile vista l’altissima pressione all'interno del pianeta che impedisce alle rocce di fondere.
Perciò ci si chiede: è possibile avere moti convettivi nel rigido materiale roccioso che impedirebbe alle sue parti di muoversi?
La risposta sembrerebbe essere sì, e l’andamento della temperatura all'interno del mantello conforta questa ipotesi: se si esclude la zona vicino al nucleo e a contatto con la crosta, essa aumenta molto lentamente con la profondità, solo 0,5 °C per Km (Press-Siever 2006), perché i moti convettivi rimescolano il materiale impedendo al calore di aumentare rapidamente.
Una pallina di piombo alla quale è stata applicata una pressione di 1kg per alcuni giorni su una candela di cera - foto M.Pregliasco
La cera è un ottimo esempio di
come certi materiali solidi si comportino come un fluido molto viscoso
se sollecitato in tempi abbastanza lunghi. Se lasciamo cadere un peso
sopra ad una candela esso rimbalzerà venendo bruscamente a contatto con
un corpo rigido. Ma se lasciamo agire il peso sulla cera per un tempo
sufficientemente lungo (ore o giorni) esso penetrerà in profondità come
se fosse immerso in un liquido. Anche le rocce del mantello rispondono
in modo rigido alle sollecitazioni di breve durata (quali le scosse di
terremoto), ma diventano plastiche quando soggette a
sforzi molto prolungati nel tempo, nell’ordine dei milioni di anni, in
condizioni di alta pressione e temperatura che consentono l’instaurarsi
dei moti convettivi.
7. La circolazione nel mantello
Le rocce del mantello terrestre sono rimescolate continuamente
secondo le leggi della convezione: il materiale più caldo risale verso
la superficie dove, cedendo calore all’atmosfera, si raffredda
diventando denso e pesante per ridiscendere negli strati più caldi del
pianeta e ricominciare il ciclo. S’instaurano i movimenti circolari
delle celle convettive.
Nel modello a circolazione convettiva unica, la cella convettiva si sviluppa per tutta la profondità del mantello e il materiale riciclato giunge fino al contatto con il nucleo esterno (v. lato destro della figura).
Tuttavia alcuni scienziati sostengono che il mantello si possa dividere in due strati: uno superiore e uno inferiore, ognuno dei quali è interessato da un proprio sistema di celle convettive. Questa ipotesi è chiamata circolazione convettiva a strati (v. lato sinistro della figura).
Nel modello a circolazione convettiva unica, la cella convettiva si sviluppa per tutta la profondità del mantello e il materiale riciclato giunge fino al contatto con il nucleo esterno (v. lato destro della figura).
Tuttavia alcuni scienziati sostengono che il mantello si possa dividere in due strati: uno superiore e uno inferiore, ognuno dei quali è interessato da un proprio sistema di celle convettive. Questa ipotesi è chiamata circolazione convettiva a strati (v. lato sinistro della figura).
8. La tettonica delle placche
Il primo effetto, molto importante, è sicuramente la tettonica
delle placche, che fa muovere le zolle continentali. La convezione non
solo fa muovere le placche sulla superficie, ma, riesce a farle
letteralmente affondare all’interno del mantello terrestre.
Conseguenza della tettonica delle placche sono i terremoti che si scatenano sulla superficie rigida della litosfera.
Moti convettivi e tettonica delle placche sono i responsabili di un altro effetto dirompente sulla superficie terrestre: i vulcani.
Per saperne di più crf. La tettonica delle placche: come funziona?
Conseguenza della tettonica delle placche sono i terremoti che si scatenano sulla superficie rigida della litosfera.
Moti convettivi e tettonica delle placche sono i responsabili di un altro effetto dirompente sulla superficie terrestre: i vulcani.
Per saperne di più crf. La tettonica delle placche: come funziona?
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