LA STRUTTURA DELLA TERRA

Introduzione

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

L'effetto del terremoto del 1885 a Bussana Vecchia (IM) a sinistra, il vulcano Stromboli a destra - Foto M.Pregliasco

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

E’ la convezione, il fenomeno fisico, che permette al motore interno della Terra di muovere le rocce all'interno del pianeta. E’ qualcosa che, su scala molto più piccola, fa il nostro termosifone con l’aria contenuta all'interno della stanza. Il termosifone è molto più caldo rispetto all'ambiente che lo circonda. L’aria a contatto del calorifero si scalda e, divenuta meno densa e più “leggera”, sale verso l’alto, richiamando verso il basso l’aria fredda dell’ambiente, più densa e “pesante”. S’innesca un movimento circolare di aria calda – aria fredda chiamata cella convettiva.
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?

Image credit: JohanSwan / 123RF Archivio Fotografico - Modificato da M.Pregliasco

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

Questa immagina proviene da Arthursclipart.org - Modificato da M.Pregliasco

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

Image credit: JohanSwan / 123RF Archivio Fotografico - Modificato da M.Pregliasco

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 ?

parte di questa immagine proviene da wikipedia

La convenzione è un fenomeno causato da differenze di temperatura e densità in un fluido, per il quale correnti calde di materiale salgono verso quelle più fredde, mentre quelle fredde ridiscendono, instaurando movimenti circolari chiamati celle convettive (vedi “i moti convettivi” per saperne di più).
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

da wikipedia - modificato da M.Pregliasco

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).

8. La tettonica delle placche

da wikipedia - modificato da M.Pregliasco

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?

ARTICOLI DI APPROFONDIMENTO SCIENTIFICO

1. Il cuore radioattivo della Terra
2. Terra, c’è un secondo nucleo molto piccolo nel cuore del nostro pianeta
3. Quel calore che accende il campo magnetico
4. La densità della Terra cambia a 1000 km di profondità
5. Il nuovo tentativo di perforare la crosta terrestre fino al mantello
6. Qual è la velocità del magma nel mantello della Terra?

LA TERRA E LA LUNA

La Terra ha una forma quasi sferica. "Quasi" perché è leggermente schiacciata ai Poli. Più che una sfera, assomiglia a un ellissoide, un solido che si ottiene facendo ruotare un'ellisse intorno a uno degli assi (in pratica assomiglia a una palla ovale o a un uovo).

L'ellissoide non tiene conto della presenza dei rilievi montuosi e delle depressioni marine, per cui la forma che più corrisponde a quella della Terra è quella di un solido irregolare detto geoide.

Essendo schiacciata ai poli la Terra ha un raggio (distanza tra la superficie e il centro della Terra) maggiore all'Equatore (6378 km) e minore ai Poli (6357 km), essendo in media il raggio terrestre di 6371.
La circonferenza all'Equatore è di 40076 km, mentre la circonferenza meridiana, passante per i due Poli, è di 40009 km.
la superficie totale del pianeta supera i 510 milioni di km2, di cui circa il 70% è ricoperto dagli oceani.

Asse di rotazione terrestre

L'asse terrestre è una linea immaginaria che congiunge i due poli terrestri e attorno alla quale la Terra compie il suo moto di rotazione.

 I PARALLELI

Sono circonferenze il cui piano è perpendicolare all'asse terrestre , tra queste ,esiste una sola circonferenza   massima che divide la Terra in due emisferi uguali ed è detta EQUATORE.
 

 

L’equatore divide la terra in due parti: l’emisfero nord o boreale dove viviamo e l’emisfero sud o australe.

 

I MERIDIANI 
Sono semicirconferenze di circoli massimi passanti per i Poli.
Tra questi il meridiano passante per Greenwhich ( Londra) è detto meridiano fondamentale.
Un meridiano assieme al suo antimeridiano (diametralmente opposto) forma un cerchio massimo che si ottiene dall'intersezione di un piano che attraversa la Terra passando per il suo centro. La somma della lunghezza del meridiano e dell' antimeridiano è sempre pari a 40.009 km.

 

 

Paralleli e Meridiani si intersecano ad angolo retto

Meridiani e paralleli formano una rete di linee, perpendicolari tra loro, che avvolge l'intera superficie terrestre e che viene chiamata reticolo geografico.

Questo consente di costruire un sistema di coordinate geografiche con le quali è possibile individuare ogni punto della superficie terrestre che viene identificato attraverso due coordinate: latitudine e longitudine.

Latitudine 

E' la distanza angolare misurata in gradi lungo l'arco di meridiano compreso tra l'Equatore e il parallelo passante per il punto P.

Poiché l'Equatore divide la Terra in due emisferi uguali, si distingue una Latitudine Nord, da 0°a 90° N (LAT N) ed una Latitudine Sud, da 0° a 90° S,  (LAT S)

Longitudine 

È la distanza angolare, misurata in gradi , lungo l'arco di parallelo compreso tra il Meridiano fondamentale e il meridiano passante per il punto P.

Rispetto al meridiano di Greenwich, esiste una Longitudine orientale (Long Est) e una Longitudine occidentale ( Long Ovest) 

I movimenti della Terra

• Moto di rotazione: è il movimento della Terra attorno al suo asse. Il periodo di rotazione è il tempo impiegato da un corpo celeste (stella, pianeta, satellite naturale o asteroide), per compiere una rotazione completa sul proprio asse. La Terra ha un periodo rotatorio di 24 ore.
• Moto di rivoluzione: è il movimento della Terra attorno al Sole. La durata di questo moto è di 365 giorni.

I moti di rotazione e di rivoluzione della Terra sono responsabili di alcuni fenomeni facilmente osservabili da tutti:

• l'alternarsi del dì e della notte;
• la diversa durata del dì e della notte;
• il succedersi delle stagioni.

L'alternarsi del dì e della notte

Il moto di rotazione terrestre, che si compie nell'arco di 24 ore, periodo a cui si dà il nome di giorno solare, provoca l'alternarsi del dì (periodo di luce) e della notte (periodo di buio). I raggi del Sole arrivano sulla Terra paralleli fra loro e, a causa della sfericità terrestre, in ogni momento illuminano solo la metà della superficie terrestre rivolta verso il Sole (dì), mentre l'altra metà è al buio (notte). Il circolo massimo che divide la parte rischiarata da quella in ombra è detta circolo di illuminazione e si sposta continuamente durante il moto di rotazione.
Il passaggio dal dì alla notte avviene gradualmente, per la presenza intorno alla Terra dell'atmosfera, che diffonde, riflette e rifrange la luce solare: si originano così l'alba (periodo durante il quale la luce del Sole comincia a diffondersi prima che esso sia visibile sopra l'orizzonte) e il crepuscolo (periodo durante il quale la luce diminuisce d'intensità dopo che il Sole è sceso sotto l'orizzonte).

La diversa durata del dì e della notte

Se l'asse terrestre fosse perpendicolare al piano dell'orbita, il circolo d'illuminazione passerebbe sempre per i poli e taglierebbe esattamente in due parti uguali tutti i paralleli; quindi, per tutto l'anno e in ogni punto della Terra, il dì e la notte avrebbero la stessa durata, cioè 12 ore ciascuno. Ma, poiché l'asse terrestre è inclinato di 66°33' sul piano dell'orbita, e inoltre si mantiene parallelo a se stesso durante il moto di rivoluzione intorno al Sole, nel corso dell'anno il circolo d'illuminazione non passa sempre per i poli e ciò determina la diversa durata del dì e della notte e anche, come si vedrà di seguito, l'alternarsi delle stagioni.

Il 21 giugno, giorno del solstizio d'estate, il polo Nord è rivolto verso il Sole e il circolo d'illuminazione, tangente ai circoli polari Artico e Antartico, taglia a metà l'equatore; nell'emisfero boreale la superficie illuminata è maggiore di quella in ombra e si hanno il dì più lungo e la notte più corta dell'anno (nell'emisfero australe si hanno, invece la notte più lunga e il dì più corto). Nella zona compresa tra il Circolo Polare Artico e il polo Nord, in questo giorno il sole non tramonta e il dì dura 24 ore.

Immagine: Solstizio d'estate

Il 21 dicembre, giorno del solstizio d'inverno, è invece il polo Sud a essere rivolto verso il Sole, perciò nell'emisfero boreale la superficie illuminata è minore di quella in ombra: si hanno il dì più corto e la notte più lunga dell'anno (l'opposto avviene nell'emisfero australe). Nella zona compresa tra il Circolo Polare Artico e il polo Nord, in questo giorno il Sole non sorge e la notte dura 24 ore. Tra il 21 giugno e il 21 dicembre, nell'emisfero boreale progressivamente il dì si accorcia e la notte si allunga, mentre tra il 21 dicembre e il 21 giugno si allunga il dì e si accorcia la notte (l'opposto avviene nell'emisfero australe).

Immagine: Solstizio d'inverno

In due soli giorni dell'anno, il 21 marzo, equinozio di primavera, e il 23 settembre, equinozio d'autunno, il dì e la notte hanno la stessa durata in tutti i punti della Terra. Ciò accade perché nessuno dei due poli è inclinato verso il Sole: il circolo d'illuminazione passa per i poli, taglia a metà tutti i paralleli e le condizioni di illuminazione sono uguali in entrambi gli emisferi.
Solo all'equatore, dunque, il dì e la notte hanno la stessa durata per tutto l'anno.

Immagine: Equinozio

Il succedersi delle stagioni
A causa dell'inclinazione dell'asse terrestre, nel corso dell'anno non varia solo la durata del dì e della notte, ma anche l'inclinazione con cui i raggi solari giungono sulla superficie terrestre e quindi il riscaldamento che ne deriva; più precisamente, il riscaldamento è massimo quando i raggi solari formano un angolo retto con il piano tangente alla superficie terrestre in un punto, mentre è minore se il valore di questo angolo si riduce: a ciò si deve dunque l'alternarsi di periodi caldi e periodi freddi, cioè il succedersi delle stagioni.
L'inizio e la fine delle stagioni astronomiche, intervalli di tempo fra un solstizio e l'equinozio successivo, o fra un equinozio e il solstizio successivo, è indicato nella tab. 5.2.
Nell'emisfero boreale:

• la primavera dura dal 21 marzo al 21 giugno. Il 21 marzo il sole culmina (i raggi solari giungono perpendicolari) sull'equatore; l'energia solare trasmessa è massima all'equatore e diminuisce procedendo verso i poli. Il flusso di energia si modifica nel tempo avvicinandosi al solstizio estivo;
• l'estate dura dal 21 giugno al 23 settembre. Nel solstizio estivo l'energia trasmessa è massima al Tropico del Cancro (i raggi sono perpendicolari a questo parallelo); il polo Nord è illuminato, mentre il polo Sud è in ombra (il flusso energetico è maggiore nell'emisfero boreale rispetto a quello australe);
• l'autunno dura dal 23 settembre al 21 dicembre. Nell'equinozio autunnale si ripetono le condizioni di quello primaverile, che si modificano via via che si avvicina il solstizio invernale;
• l'inverno dura dal 21 dicembre al 21 marzo. Al solstizio invernale l'energia trasmessa è massima al Tropico del Capricorno, dove i raggi, a mezzogiorno, sono perpendicolari sull'orizzonte. Il polo Sud è illuminato, mentre il polo Nord è in ombra (il flusso energetico è maggiore nell'emisfero australe rispetto a quello boreale).

Le stagioni astronomiche non coincidono del tutto con le stagioni meteorologiche, cioè con il reale andamento del tempo meteorologico. Ciò è dovuto al fatto che l'atmosfera, l'idrosfera e la litosfera assorbono la radiazione solare e cedono calore con un certo ritardo, impedendo di percepire subito gli effetti sul clima dovuti alle variazioni dell'inclinazione dei raggi solari. Inoltre, a causa della variazione dell'angolo che i raggi solari formano con la superficie terrestre, con il succedersi delle stagioni varia l'altezza degli archi che il Sole sembra descrivere nel cielo durante il suo moto apparente, dall'alba al tramonto (fig. 5.6). Sulla base dell'inclinazione dei raggi solari nelle diverse stagioni astronomiche, si possono individuare sulla superficie terrestre differenti zone astronomiche , caratterizzate da specifiche condizioni climatiche.

La Luna

La Luna, satellite naturale della Terra, è il corpo celeste più vicino al nostro pianeta. E' illuminata dal Sole ed è l'oggetto più luminoso nel cielo notturno. 

Distanza dalla Terra: 384.400 km

Raggio: 1.737 km

Gravità: 1,622 m/s²

Periodo di rivoluzione: 27 giorni

Età: 4,53 × 10^9 anni

Origine della Luna
Sull'origine del nostro satellite sono state ipotizzate varie teorie; di esse, alcune hanno perso credibilità con il passare del tempo, altre sono state perfezionate con l'aumentare dei dati a nostra disposizione.
L' ipotesi ritenuta più plausibile è la teoria dell'accrescimento, secondo la quale la Luna si sarebbe formata in seguito all'aggregazione di particelle e polveri già orbitanti intorno alla Terra.
La superficie della Luna
La materia che costituisce la crosta lunare ha composizione chimica simile a quella della crosta terrestre (nelle rocce lunari portate sulla Terra, tutte di composizione basaltica, sono stati trovati solo tre nuovi minerali).
La superficie lunare mostra zone chiare (tradizionalmente chiamate terre, o continenti) e zone scure (chiamate mari). 

Un'osservazione più attenta mostra grandi catene montuose, numerosi crateri e lunghi solchi.
Le terre sono zone più chiare, accidentate e fittamente caratterizzate. Nelle terre ci sono catene montuose (che raggiungono anche 8000 m di altezza) e solchi.
I mari sono zone pianeggianti, vaste, scure, lisce e approssimativamente circolari. Si tratta di giganteschi crateri di asteroidi riempiti dalla lava fuoriuscita dagli strati più profondi dopo l'impatto. 

La Luna non possiede atmosfera, che si è dispersa a causa della debole attrazione esercitata sulla materia gassosa dalla gravità lunare. Tale circostanza comporta alcune conseguenze:

• la temperatura della superficie lunare presenta oscillazioni assai pronunciate (di circa 270 °C nell'arco di un giorno lunare, da massimi di 120 °C a minimi di –150 °C durante la notte);
• i fenomeni di erosione sulla superficie lunare sono assenti;
• i fenomeni acustici non possono prodursi;
• osservate dalla Luna, le stelle presentano un aspetto più lucente e puntiforme (la loro immagine non è soggetta a fenomeni di "tremolio", dovuti a movimenti dell'aria).
 

La struttura interna della Luna

Lo strato superficiale, formato da sabbia e polvere (regolite), raggiunge in alcuni punti anche 20 m di spessore. 
Il primo strato è la crosta, la sua profondità è in media di 60 km; al di sotto di essa si trova il mantello, che si estende a circa 1000 km di profondità. Procedendo ulteriormente verso l'interno, si incontra una zona parzialmente fusa (astenosfera). 
La parte più interna è il nucleo lunare, presumibilmente del diametro di circa 1000 km, ricco di ferro, probabilmente allo stato liquido e con temperature di circa 1500 °C. 


I movimenti della Luna

La Luna compie tre movimenti principali: 

1. il moto di rivoluzione intorno alla terra, 
2. il moto di rotazione intorno al proprio asse 
3. il moto di traslazione, insieme alla Terra, intorno al Sole.

Il moto di rivoluzione si svolge, in senso antiorario, lungo un'orbita ellittica (dove la Terra occupa uno dei fuochi dell'ellisse), il cui piano è inclinato di poco più di 5° rispetto al piano dell'orbita terrestre (eclittica). Durante la rivoluzione, la distanza fra la Terra e la Luna varia da un minimo (perigeo) a un massimo (apogeo) e, mediamente, è di circa 384 000 km. Il periodo di rivoluzione della Luna ha una durata di circa 27 giorni.


Il moto di rotazione della Luna intorno al proprio asse avviene nello stesso senso della rotazione terrestre (cioè da ovest a est) e, ciò che è più interessante, ha la stessa durata (circa 27 giorni) del periodo di rivoluzione intorno alla Terra; di conseguenza, la Luna volge verso la Terra sempre la stessa faccia, cioè lo stesso emisfero (il lato nascosto della Luna si è potuto osservare solo grazie alle missioni spaziali).


Il moto di traslazione si compie nello stesso senso e con la stessa velocità con cui la Terra effettua il suo moto di rivoluzione intorno al Sole. 

Le fasi lunari

Nel corso della sua rivoluzione intorno alla Terra, la Luna splende di luce solare riflessa e perciò può essere illuminata solo la metà lunare rivolta al Sole; tuttavia, eccetto che per breve tempo nel corso di ogni mese, la metà illuminata non è la stessa che sta di fronte alla Terra, ma cambia ogni giorno, passando, nel corso di circa due settimane, da una condizione di totale oscurità a una condizione di totale illuminazione; nelle due settimane successive avviene il contrario. Questi cambiamenti giornalieri nell'aspetto della Luna, vista da un osservatore terrestre, sono chiamati fasi lunari.
Con il termine Luna nuova (o novilunio) si indica il momento in cui essa si trova in congiunzione, cioè tra il Sole e la Terra. Durante il novilunio la Luna non è visibile, perché ci mostra tutta la metà in ombra; inoltre, sorge e tramonta contemporaneamente al Sole.
Successivamente entra in fase crescente: sulla Terra è visibile dapprima una sottile fascia luminosa a forma di falce, con convessità a ovest ("gobba a ponente"), che si amplia gradualmente fino a raggiungere la fase del primo quarto, all'incirca dopo una settimana. Dalla Terra vediamo la metà occidentale della sua faccia illuminata. In questo momento la Luna è a est del Sole, nasce a mezzogiorno e tramonta a mezzanotte.
Dopo un'altra settimana è Luna piena (o plenilunio): ci appare come un disco completamente illuminato ed è situata in opposizione, cioè dalla parte opposta al Sole. Sorge al tramonto e cala all'alba.
Nell'ultimo quarto la Luna ci mostra nuovamente una metà del disco illuminato, ma la metà orientale. Si trova a ovest del Sole, nasce a mezzanotte e tramonta a mezzogiorno. Infine, passa per la fase calante: la Luna assume la forma di falce sempre più ridotta, ma con convessità verso est ("gobba a levante"), fino a scomparire del tutto alla vista. Si è allora tornati alla fase di Luna nuova e inizia un altro ciclo.


Eclissi di Sole e di Luna

Se il piano orbitale della luna coincidesse con quello dell'eclittica, ogni mese si avrebbero due eclissi: una di Sole e l'altra di Luna. Nella realtà i piani orbitali di Luna e Terra divergono di 5°9' , non è detto quindi che Terra e Luna siano allineate e giacciano sullo stesso piano. La Luna, infatti, può trovarsi sopra o sotto l'eclittica. Un' eclissi quindi si verifica solo quando la Luna oltre ad essere in posizione di novilunio o plenilunio si trova in uno dei nodi o in prossimità di esso ed in questo caso i tre corpi celesti giacciono veramente su di una medesima retta .

Quando la Luna, nel suo moto, si interpone tra il Sole e la Terra, in modo tale che si abbia un allineamento Sole-Luna-Terra, il cono d'ombra della Luna investe una parte della superficie terrestre e si verifica un'eclissi di Sole (quest'ultimo viene cioè occultato alla vista dalla Terra)
Quando è la Terra a interporsi fra il Sole e la Luna, in modo che si abbia un allineamento Sole-Terra-Luna, il cono d'ombra della Terra si proietta sulla Luna e si verifica un'eclissi di Luna (la Luna, cioè, viene oscurata).
Le eclissi possono essere totali o parziali: sono totali, quando il Sole è interamente coperto dalla Luna, o quando tutta la Luna è oscurata dall'ombra della Terra; sono parziali, quando l'allineamento Sole, Luna e Terra non è perfetto, per cui il cono d'ombra della Luna non copre interamente il Sole o quello della Terra non oscura completamente la Luna.
La condizione perché si verifichi un'eclissi (di Sole o di Luna) è che la Luna venga a trovarsi in esatta corrispondenza (eclissi totale) o nelle vicinanze (eclissi parziale) di uno dei due nodi: se è in fase di congiunzione (novilunio), si verificherà un'eclissi di Sole; se è in fase di opposizione (plenilunio), si verifica un'eclissi di Luna. Un caso particolare è l'eclissi anulare, che avviene quando la Luna è in apogeo e il vertice del suo cono d'ombra non riesce a raggiungere la superficie terrestre. Sul disco solare si vedrà allora, proiettata centralmente, l'ombra della Luna. Poiché il disco lunare ha un diametro inferiore a quello del Sole, esso apparirà circondato da un anello brillante.

Eclissi anulare

Le maree

Le maree sono movimenti periodici di innalzamento (flusso) e abbassamento (riflusso) del livello marino , causati dall'attrazione combinata della Luna e del Sole sulla Terra (l'azione della Luna è circa 2,2 volte maggiore di quella del Sole).
La massima altezza raggiunta dal livello del mare prende il nome di alta marea, mentre il massimo abbassamento di livello è detto bassa marea. Fra questi due estremi è calcolata l'ampiezza di marea, modesta nei mari chiusi (1-2 m), più ampia negli oceani (per esempio, 15 m lungo le coste dell'Europa atlantica, 20 m nella baia di Fundy, in Canada).
Per la combinazione del moto rotatorio della Terra intorno al proprio asse e del moto orbitale della Luna, quest'ultima impiega 24 ore e 50 minuti a compiere un giro completo intorno alla Terra. Di conseguenza, in ogni punto delle superfici marine dovrebbero, in media, alternarsi teoricamente un flusso e un riflusso ogni 6 ore, 12 minuti, 30 secondi, cioè due alte maree e due basse maree nell'arco di 24 ore e 50 minuti.

In pratica, il movimento delle maree non può verificarsi in modo regolare per una serie di motivi, tra cui, principalmente, la distribuzione irregolare degli oceani, l'inerzia delle acque, l'attrito esercitato su di esse dal fondo marino e la natura frastagliata delle coste. Tutto ciò provoca un ritardo nella propagazione del flusso (e del riflusso) e quindi nel raggiungimento del livello di alta marea (o bassa marea). Questo ritardo, variabile da luogo a luogo, viene chiamato ora di porto. Le linee che su una carta congiungono i punti delle coste in cui l'alta marea si verifica contemporaneamente sono chiamate linee cotidali.

Legge di Gravitazione Universale

In assenza di forze esterne, un corpo tende a muoversi di moto rettilineo uniforme: se un pianeta ruota intorno al Sole, deve esistere una forza di attrazione che lo costringe a deviare dal moto rettilineo.
Isaac Newton, scienziato cui si devono le tre leggi della dinamica, enunciò la forza di gravità nella sua opera Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687), in termini coerenti con le osservazioni disponibili a quei tempi, e in accordo con i prinicipi della dinamica da lui stesso enunciati: quest’enunciato è sufficiente a spiegare gran parte dei fenomeni che ci circondano ancora oggi.
La legge formulata da Newton afferma quanto segue: 

due corpi dotati di massa si attraggono con una forza che è direttamente proporzionale al prodotto delle masse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che li separa.

La direzione della forza risulta quindi essere la retta che congiunge i due punti materiali; il verso quello che da un corpo punta verso l’altro; il modulo è definito da

F=Gm1 m2r2

in cui compaiono due masse m1 e m2, la distanza tra i due punti materiali r, e la costante di proporzionalità G.

Questa costante è estremamente importante ed è nota come costante di gravitazione universale. Nel Sistema Internazionale, il suo valore è pari a circa 6,67 10−11 Nm2/kg2

; questo valore fu ricavato dallo scozzese Henry Cavendish (per questo motivo è anche conosciuta come costante di Cavendish). Si chiama “universale” in quanto il suo valore non cambia al cambiare dell’osservatore e del sistema di riferimento, e sembra essere una delle costanti che definisce intrinsecamente il nostro universo.

Per sua stessa definizione, la forza di gravità sussiste come interazione tra due corpi: in base al principio di azione-reazione, il modulo della forza esercitata da un corpo sull’altro deve essere uguale.