Il contest tematico sul'Educazione Ambientale per gli studenti delle scuole superiori italiane
Categoria:
Educational
Adatto a:
Studenti delle Scuole
Inizio: 18/03/2024 Fine: 24/03/2024
La Terra non ha una struttura omogenea: la densità della crosta terrestre è di circa 2,7-2,8 g/cm3 e quella media del pianeta è di 5,52 g/cm3: dunque l'interno della Terra deve avere una densità ben maggiore dell'involucro esterno.
La struttura interna della Terra, simile ad altri pianeti terrestri, ha una disposizione a strati che possono essere definiti sia da proprietà chimiche che reologiche. La Terra ha una crosta esterna solida di silicati, un mantello estremamente viscoso, un nucleo esterno liquido che è molto meno viscoso del mantello, e un nucleo solido. La comprensione scientifica della struttura interna della Terra è basata sulle estrapolazioni di evidenza fisica scaturita dai primi pochi chilometri della superficie terrestre, dai campioni portati alla superficie dalle più remote profondità tramite l'attività vulcanica e dalle analisi delle onde sismiche che l'hanno attraversata.
La forza esercitata dalla gravità della Terra può essere usata per calcolare la sua massa e stimare il volume del pianeta, oltre a poter calcolare la sua densità media. L'astronomia può calcolare anche la massa della Terra in base alla sua orbita e agli effetti prodotti sui vicini corpi planetari. L'osservazione di rocce, masse d'acqua e atmosfera permette di fare una stima della sua massa, volume e densità delle rocce a una certa profondità. La massa rimanente deve trovarsi negli strati più profondi.
Con l'aumentare della profondità aumenta la temperatura, mediamente, in una litosfera continentale stabile e a partire dalla superficie, la temperatura aumenta di 3° ogni 100 metri(circa 30° ogni chilometro); questo aumento rimane costante più o meno fino all'isoterma 1300 °C, a profondità maggiori, nel mantello convettivo, la temperatura rimane quasi costante risentendo solo dell'aumento adiabatico (correlato all'aumento di pressione). Dal limite nucleo - mantello (segnato dalla discontinuità di Gutenberg) in giù la temperatura ricomincia ad aumentare fino a raggiungere i circa 6000 °C nel centro del pianeta, ma gli elementi sono allo stato solido a causa della pressione. Anche la pressione aumenta con la profondità, anche se l'andamento non è ancora bene conosciuto ed è, comunque, variabile da luogo a luogo: proprio questo gradiente pressorio tende a opporsi al passaggio di stato (da solido a liquido, da liquido a gassoso) indotto dall'aumento di temperatura.
Non potendo osservare direttamente la struttura dei livelli interni del pianeta (le maggiori profondità raggiunte con miniere, gallerie, perforazioni o carotaggi non superano i 20 km - risultato raggiunto solo nel 2007 - cioè meno di 1/400 del raggio terrestre), le conoscenze a questo riguardo si basano soprattutto su misurazioni indirette.
Non potendo osservare direttamente la struttura dei livelli interni del pianeta (le maggiori profondità raggiunte con miniere, gallerie, perforazioni o carotaggi non superano i 20 km - risultato raggiunto solo nel 2007 - cioè meno di 1/400 del raggio terrestre), le conoscenze a questo riguardo si basano soprattutto su misurazioni indirette.
Partendo dal nucleo centrale che ha un raggio di 1216 km, si trova il nucleo esterno fino a 2270 km, una zona convettiva dove lo spostamento di materia avviene per convezione, ovvero per movimenti del materiale fluido e caldo, poi vi è la zona di subduzione, il mantello, l'astenosfera, la litosfera, il mantello superiore, la crosta oceanica e infine la crosta continentale.
Molto spesso, soprattutto dopo lo sviluppo della teoria della tettonica globale, anziché distinguere tra crosta e mantello terrestre, si preferisce parlare di "litosfera", strato superficiale solido, rigido comprendente tutta la crosta e parte del sottostante mantello sino a una profondità di circa 100 km, "astenosfera", allo stato plastico, viscoso sulla quale la litosfera "galleggerebbe" mentre il mantello vero e proprio viene suddiviso in superiore e inferiore.
La stratificazione della Terra è stata dedotta indirettamente misurando i tempi di propagazione delle onde sismiche rifratte e riflesse create dai terremoti. La parte fluida del nucleo non permette alle onde trasversali di passarvi attraverso, mentre la velocità di propagazione (velocità sismica) è differente negli altri strati; poiché essa dipende dalla densità del mezzo, è possibile ipotizzare una composizione mineralogica. I cambiamenti nella velocità sismica tra differenti strati causano una rifrazione secondo la legge di Snell. Le riflessioni sono causate da un grande incremento nella velocità sismica, similmente a quanto avviene alla luce riflessa da uno specchio.
Nacque da E. Suess l'idea dell'esistenza di un "nucleo" centrale molto pesante, detto anche Barisfera, formato da ferro e nichel(denominato nife), attorniato da una zona di transizione e da uno spesso involucro solido di composizione media basaltica, ricco in ferro e magnesio, racchiuso dalle rocce più superficiali e leggere ricche di silicio e alluminio (sial). Questa struttura sembrava accordarsi con la teoria della differenza per gravità durante il consolidamento del pianeta e con la composizione rilevata per molti meteoriti. Il nucleo trova inoltre la sua formazione grazie all'accumulo di detriti delle masse rocciose in movimento durante il manifestarsi dei fenomeni sismici.
La densità media della Terra è di 5.515 kg/m3. Poiché la densità media del materiale di superficie è solo di circa 3.000 kg/m3, dobbiamo concludere che dentro il nucleo della Terra si trovino materiali più densi. Ulteriori evidenze riguardo ad un nucleo ad alta densità vengono dallo studio della sismologia.
Le misurazioni sismiche mostrano che il nucleo diviso in due parti, un nucleo interno solido con un raggio di ~1220 km e un nucleo esterno liquido che si estende oltre di esso fino a un raggio di ~3400 km. Il nucleo interno fu scoperto nel 1936 da Inge Lehmann e si ritiene sia composto principalmente di ferro e in misura minore di nichel.
Nei primi stadi della formazione della Terra, circa 4,5 miliardi di anni fa, la fusione dei materiali avrebbe fatto sì che le sostanze più dense e più pesanti andassero a fondo verso il centro della Terra, in un processo chiamato differenziazione planetaria (vedi anche la catastrofe del ferro), mentre i materiali meno densi sarebbero migrati verso l'alto formando la crosta. Si ritiene dunque che il nucleo sia composto in massima parte di ferro (80%) oltre a nichel e a pochi elementi leggeri, mentre altri elementi più densi, come piombo e uranio, o sono troppo rari per essere significativi o tendono a legarsi ad elementi più leggeri e in questo modo rimanere nella crosta (vedi materiali felsici). È stato anche ipotizzato che il nucleo interno possa essere nella forma di un singolo cristallo di ferro.
Il nucleo liquido esterno circonda il nucleo interno e si crede sia composto di ferro misto a nickel e tracce di quantità di elementi più leggeri.
Recenti speculazioni suggeriscono che la parte più interna del nucleo sia arricchita in oro, platino ed altri elementi affini al ferro (siderofili).
La materia di cui la Terra è composta è connessa in modo fondamentale alla condrite di alcune meteoriti, e alla materia della porzione più esterna del Sole.
A partire dal 1940, alcuni scienziati, incluso Francis Birch, svilupparono la geofisica partendo dalla premessa che la Terra è simile alle ordinarie condriti, il tipo più comune di meteorite osservata nell'impatto con la Terra, ignorando totalmente un'altra categoria, meno abbondante, chiamata condrite di enstatite. La principale differenza fra i due tipi di meteoriti è che la condrite di enstatite si formò in circostanze in cui l'ossigeno disponibile era estremamente limitato, facendo sì che certi elementi normalmente ossigenofili si trovino parzialmente o interamente nelle leghe metalliche del nucleo terrestre.
La teoria della dinamo suggerisce che la convezione nel nucleo esterno, combinata con l'effetto di Coriolis, produca il campo magnetico della Terra. Il nucleo solido interno è troppo caldo (vedi temperatura di Curie) per mantenere un campo magnetico permanente, ma probabilmente agisce in modo da stabilizzare il campo magnetico generato dal nucleo esterno liquido.
Misurazioni recenti hanno suggerito che il nucleo interno della Terra possa ruotare un po' più velocemente del resto del pianeta. Nell'agosto del 2005 un gruppo di geofisici annunciarono su Science che, secondo le loro stime, il nucleo interno della Terra ruota approssimativamente da 0,3 a 0,5 gradi ogni anno rispetto alla rotazione della superficie.
L'attuale spiegazione scientifica per il gradiente della temperatura terrestre è una combinazione del calore residuo della formazione iniziale del pianeta, il decadimento degli elementi radioattivi e il raffreddamento del nucleo interno.
Il mantello terrestre si estende fino ad una profondità di 2890 km, facendo di esso lo strato più spesso della Terra. La pressione, alla base del mantello, è di ~140 GPa (1,4 Matm).
Il mantello è composto di rocce di silicati che sono più ricche in ferro e magnesio rispetto alla sovrastante crosta. Sebbene solido, le alte temperature del mantello fanno sì che i silicati siano sufficientemente duttili, cosicché esso può scorrere in archi di tempo molto lunghi. La convezione del mantello si manifesta alla superficie attraverso i movimenti delle placche tettoniche.
Il punto di fusione e la viscosità di una sostanza dipende dalla pressione a cui viene sottoposta. Poiché la pressione nel mantello incrementa al crescere della profondità, la parte inferiore del mantello scorre meno facilmente di quanto faccia la superiore (possono essere importanti anche i mutamenti chimici all'interno del mantello). La viscosità del mantello si estende tra 1021 e 1024
Pa·s, in funzione della profondità.[10] Per confronto, la viscosità dell'acqua è approssimativamente 10−3 Pa·s e quella della pece è 107 Pa·s.
La crosta si estende da 5 a 70 km in profondità ed è lo strato più esterno. Le parti più sottili sono formate dalla crosta oceanica composta di densa roccia mafica a base di silicati di alluminio. La crosta continentale è più spessa, meno densa ed è composta di rocce felsiche contenenti silicati di sodio, potassio, e alluminio, come il granito.
Al confine crosta-mantello succedono due eventi fisicamente differenti. Primo, c'è una discontinuità nella velocità di propagazione delle onde sismiche, nota come discontinuità di Mohorovi?i? o Moho. La causa della Moho si pensa sia dovuta a un cambiamento nella composizione nella roccia, con rocce contenenti feldspato plagioclasio (sopra) a rocce che non contengono feldspati (sotto). Secondo, c'è una discontinuità chimica fra ultramafici accumulati e harzburgiti tettonizzate, che sono state osservate nelle parti profonde della crosta oceanica e che sono stati obdotti nella crosta continentale e conservati come sequenze di ofioliti.
Molte delle rocce adesso reintegrano la crosta terrestre formatasi meno di 100 milioni di anni fa; i più vecchi granuli di minerali conosciuti risalgono a 4,4 miliardi di anni, indicanti che la Terra ha avuto una crosta solida per almeno questo grande lasso di tempo.[11]
La crosta terrestre (chiamata comunemente superficie terrestre), in geologia e in geofisica, è uno degli involucri concentrici di cui è costituita la Terra: per la precisione, si intende lo strato più esterno della Terra solida, limitata inferiormente dalla Discontinuità di Mohorovi?i?, avente uno spessore medio variabile fra 4 (crosta oceanica) e 70 chilometri (crosta continentale).
Il nostro pianeta è formato da gusci concentrici di materiale diverso: la Crosta terrestre, suddivisibile in continentale e oceanica, costituisce lo strato più esterno; al di sotto c'è il mantello terrestre, che si estende fino a 2890 km di profondità; ancora al di sotto, e fino al centro della Terra (6371 km dalla superficie) è il nucleo. Il mantello litosferico, la parte più superficiale del mantello, è saldato alla crosta, e la crosta terrestre, unita al mantello litosferico, costituisce quella che viene definita litosfera. Fra la litosfera e il mantello inferiore (detto mesosfera) vi è l'astenosfera: uno strato sottile di mantello parzialmente fuso che permette alla litosfera sovrastante di muoversi, alla velocità di pochi cm l'anno.
Il limite superiore è dato dalla superficie terrestre che la mette in contatto con l'atmosfera o l'idrosfera.
Il limite inferiore della crosta terrestre è una superficie ben definita e marcata da cambiamenti sia fisici (cambiamenti di proprietà meccaniche) che chimici (cambiamenti nella composizione). L'interfaccia crosta-mantello viene definita, da un punto di vista petrografico, come il passaggio tra rocce che contengono feldspati (sopra) e quelle che non ne contengono (sotto). La crosta si distingue perciò dal mantello perché le sue rocce cristalline sono prevalentemente acide o basiche, mentre quelle del mantello sono ultrabasiche. La crosta è, ovviamente, l'unica parte della Terra a contenere rocce sedimentarie.
Esiste anche una discontinuità fisica che separa la crosta dal mantello: si tratta di una zona di transizione tra rocce a bassa velocità di propagazione delle onde sismiche (nella crosta) e rocce ad elevata velocità (nel mantello); tale discontinuità è denominata discontinuità di Mohorovi?i?, spesso abbreviata in Moho.
La crosta terrestre è l'unico strato del pianeta a possedere una marcata eterogeneità laterale. Fondamentale è la distinzione tra:
È da notare che l'estensione (areale) della crosta continentale è maggiore dell'estensione delle terre emerse, in quanto comprende anche tutti i territori sommersi a profondità inferiori ai 2500 metri. Il gradino morfologico che marca il passaggio tra crosta continentale e crosta oceanica è detto scarpata continentale.
Composizione chimica
La gran maggioranza delle rocce che compongono la crosta terrestre sono ossidi; le sole eccezioni rilevanti sono i cloruri, i solfuri e i fluoruri, in quantità che nella gran parte delle rocce non supera l'1 %. Il 47 % della crosta terrestre è costituita da ossigeno e silicio, presente sotto forma di ossidi, di cui i principali sono la silice (SiO2), l'ossido di alluminio(Al2O3), l'ossido di calcio (CaO), l'ossido di potassio (K2O), l'ossido di ferro (FeO) e l'ossido di sodio (Na2O).
Dopo aver analizzato 1.672 tipi di rocce e tenendo conto della loro diffusione, F. W. Clarke ha ottenuto per la crosta terrestre le seguenti percentuali in peso:
