Fisica Terrestre - Interno della Terra
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FISICA TERRESTRE - L'interno della Terra

 

L'INTERNO DELLA TERRA

 

Cinque miliardi di anni fa la terra si formò a partire da una agglomerazione e dal bombardamento di meteroiti e comete. L'immensa quantita' di energia rilasciata sotto forma di calore a causa del "bombardamento" sciolse l'intero pianeta che e' tuttora in fase di raffreddamento. I materiali piu' densi delle meteoriti, come il ferro(Fe), si concentrarono nel nucleo della terra mentre, al contrario, i composti piu' leggeri, quali i silicati (Si), i composti di Ossigeno e l'acqua delle comete si stabilizzarono presso la superficie.

 

Semplificando la reale complessita' della struttura interna della Terra, possiamo pensarla suddivisa essenzialmente in 4 gusci concentrici, partendo dal centro della Terra troviamo: il nucleo interno, il nucleo esterno, il mantello e la crosta (nella figura il limite nucleo esterno – nucleo interno e' posto a 5200 km di profondita' , altri testi indicano il limite a 4980 km, il raggio medio terrestre misura 6378 km). Il nucleo e' composto principalmente da ferro e si trova in condizioni di pressione e temperature tali da poter essere considerato "liquido", con una percentuale di circa il 10% di solfuri (S). Le condizioni di pressione raggiungono invece nel nucleo interno valori tali da renderlo "solido". La maggior parte della massa della Terra e' costituita dal mantello, che e' essenzialmente composto da Ferro (Fe), magnesio (Mg), alluminio (Al), silice (Si) e composti di silicati di ossigeno (O). Oltre i 1000 gradi centigradi il mantello risulta solido ma puo' deformarsi in modo plastico. La crosta e' molto piu' sottile degli altri "gusci" (o strati) ed e' composta da materiali meno densi e principalmente da calcio (Ca), e minerali allumo-silicati di sodio (Na). Essendo relativamente fredda essa risulta fragile e puo' quindi fratturarsi dando luogo ai terremoti.

I terremoti comunque avvengono anche a profondita' superiori rispetto a quelle crostali, ad esempio nelle zone di subduzione (per maggiori dettagli si veda la sezione dedicata alla Tettonica a Zolle ed alle Onde Sismiche).

 

Esploriamo il nucleo della Terra

 

Come e' stato scoperto il nucleo terrestre? Le registrazioni delle onde sismiche generate dai terremoti hanno dato i primi indizi. le onde sismiche piegano e si rifraggono alle interfacce dei diversi materiali, come ad esempio un raggio di luce che attraversa un prisma.

Inoltre i due tipi principali di onde, che abbiamo visto nel capitolo dedicato alle Onde Sismiche, hanno comportamenti differenziati a seconda del materiale attraversato. Infatti le onde P viaggiano e si propagano sia attraverso materiali solidi che fluidi, Le onde S (che sono onde caratterizzate da un movimento di taglio) non viaggiano nei fluidi come acqua o aria che non possono supportare il movimento "side-to-side" delle particelle, caratteristico delle onde S.

 

I sismologi notarono che le registrazioni di un terremoto, effettuate in tutti i luoghi intorno alla superficie della terra, cambiavano radicalmente da una certa distanza in poi, in particolare a circa 103 gradi di distanza (in sismologia usa esprimere le distanze in termini angolari come angolo tra ricevitore, centro della terra e sorgente del terremoto, 1 grado equivale a circa 111 km). Dopo 103 gradi l' ampiezza delle onde P descresce in maniera molto netta e le prime registrazioni di onde P dirette ricompaiono a distanze superiori ai 144 gradi. L' area tra 103 e 144 gradi rappresenta un zona d' ombra ( shadow zone ) per l' arrivo di onde P dirette. Non si hanno pero' arrivi ancora di onde S. Perche' vi sia una zona d' ombra deve esistere un gradiente di velocita' negativo (cioe' la velocita' deve diminuire all' aumentare della profondita' , i raggi alla discontinuita' mantello-nucleo "curvano" verso il basso allontanandosi dalla verticale, si pensi alla legge di Snell ed alle leggi che, ad es., governano l' ottica) e  questo avviene nel passaggio mantello – nucleo esterno. Inoltre, la scomparsa delle S giustifica il fatto che il nucleo esterno sia fluido. In base a questa osservazioni, la terra deve dunque avere un nucleo esterno fluido.

 

Possiamo fare una rozza stima della dimensione del nucleo terrestre semplicemente assumendo che l' ultima fase S, prima della zona d' ombra che parte a 103 gradi, viaggi in linea retta . Sapendo che il raggio della terra e' circa 6350 km abbiamo un triangolo rettangolo ove il coseno della meta' di 103 gradi (in figura e' riportato 105 gradi, piu' precisamente la zona d' ombra parte da 103 gradi) e' uguale al raggio del nucleo diviso per i l raggio della terra (la stima che viene fuori e' approssimata al 10 % rispetto al valore di circa 3470 km che e' la dimensione del nucleo).

Una informazione indipendente sul fatto che il nucleo esterno sia fuso e liquido ci viene dal fatto che la terra ha un campo magnetico . Una bussola si allinea con il campo magnetico in qualunque punto della  terra, ma ad esempio Marte e Luna non hanno campo magnetico. La terra non puo' essere pero' considerata come un grande magnete permanente perche' i minerali perdo no il loro magnetismo a temperature superiori a 500 gradi C (temperature che abbiamo gia' a poche decine di km di profondita' all' interno della terra). Il solo modo per avere un campo magnetico e' con circolazione di una corrente  elettrica. La circolazione e la convezione di ferro fuso ed elettricamente conduttivo nel nucleo esterno produce il campo magnetico. Inoltre tale convezione deve essere relativamente rapida (molto piu'  rapida di quanto potrebbe esserla nel mantello plastico) e l' unico luogo dove si ha tale condizione e' il nucleo esterno fluido.

Il campo magnetico deriva da movimenti instabili di fluidi nel nucleo cambia direzione ad intervalli irregolari. Nella recente storia geologica del pianeta ci sono state inversioni del campo magnetico ogni circa 20.000 anni. Qualsiasi tipo di "strato" geologico (ad es., flussi di lava, stratificazioni di argille) fissa e porta in se' le direzioni del campo magnetico al momento della deposizione. I geofisici possono misurare i cambiamenti di tali direzioni ed ottenere una magnetostratigrafia del deposito.

Nelle dorsali oceaniche ogni settore del fondale e' stato creato in tempi differenti e registra la direzione del campo al tempo della sua deposizione. Via via che ci si allontana dal centro della dorsale troviamo settori piu' antichi e possiamo osservare tutte le volte che si e' verificata un' inversione del campo  magnetico, come se stessimo analizzando una registrazione su un nastro magnetico.

Questa mappa della Zolla Pacifica in differenti epoche geologiche e' stata ottenuta dalla registrazione del campo magnetico.

 

Esplorando il Mantello Terrestre

 

La convezione ed il rilascio di calore dal nucleo terrestre guidano ulteriori moti convettivi nel mantello. La convezione nel mantello e' il motore del movimento delle placche, dell' apertura dei fondali e del moto dei continenti. Utilizzando le fasi sismiche relative ai terremoti e' possibile effettuare delle ricostruzioni tomografiche dell' interno della terra, in modo simile a quanto avviene nella tomografia medica (ma con difficolta' maggiori in quanto non conosciamo, ad esempio, a priori la posizione dell' emettitore, cioe' la localizzazione precisa dell' ipocentro del terremoto).

 

La parte di mantello al di sotto della crosta, circa 50 - 100 km al di sotto, e' sensibilmente soffice e plastica, e viene chiamata astenosfera. Il mantello soprastante e la crosta sono freddi abbastanza per essere considerati elastici e sono detti litosfera.

Un carico pesante sulla crosta, come una calotta polare, grandi laghi glaciali o catene di montagne, possono flettere la litosfera finanche ai livelli astenosferici ove il materiale puo' fluire lateralmente. Quando per una qualsiasi causa il peso diminuira' (erosione, fine della glaciazione, etc.) la litosfera tendera' a riprendere la forma originale, il processo puo' durare anche migliaia di anni. Il nome di tale precesso, qui molto sommariamente descritto è: equilibrio isostatico.