LA TERRA - LE ONDE SISMICHE CONSENTONO DI RADIOGRAFARE L'INTERNO DELLA TERRA

densità

temperatura

pressione

quando questi parametri si modificano improvvisamente le onde sismiche non solo accelerano o decelerano, ma vengono anche rifratte o riflesse. La superficie che separa due mezzi nei quali le onde sismiche si propagano con direzione e velocità differente è detta superficie di discontinuità.

Ricostruire il percorso delle onde sismiche può fornire informazioni preziose sulla natura litologica e sullo stato fisico dei materiali all'interno della terra. A tal scopo bisogna riuscire a determinare la velocit 242i87c à delle onde e stabilire se ci sono state deviazioni o riflessioni nel percorso.

Le tracce dei sismografi però non riportano il percorso delle onde, ma riflettono solo la situazione di arrivo. Misurando il tempo che intercorre tra l'istante in cui un'onda sismica viene prodotta e l'istante in cui viene registrata dal sismogramma, si tenta di individuarne il percorso possibile.

Inoltre lo studio delle onde sismiche è reso più complesso da un altro fattore: non vengono raccolte solo le onde che hanno seguito il percorso più breve, ma anche quelle che hanno seguito un cammino più tortuoso perché sono state deviate o riflesse.

È necessario quindi analizzare il maggior numero possibile di dati individuando le onde rifratte e riflesse. Per ottenere risultati significativi sono stati particolarmente utili i dati ricavati dai sismogrammi di esplosioni nucleari e di piccoli sismi artificiali, essendo noti ipocentro e istante di partenza, per conoscere la struttura delle zone più superficiali.

Il passo finale consiste nel tentativo di identificare la composizione dei materiali che possono presentare i valori di densità ed elasticità ipotizzati in ciascun strato. Si opera quindi il laboratorio cercando di ricreare condizioni simili all'interno della terra. Quest'operazione non è semplice.

Il primo importante passo per elaborare un modello della struttura interna della terra è stata la scoperta delle superfici di discontinuità.

LE SUPERFICI DI DISCONTINUITÀ ALL'INTERNO DELLA TERRA

analizzando i sismogrammi sono state scoperte diverse superfici di discontinuità lungo le quali le onde sismiche subiscono brusche variazioni di velocità e direzione.

Essere sono quattro:

discontinuità di Mohorovicic( detta Moho): separa la crosta dal mantello.   

Lungo questa superficie le onde sismiche accelerano bruscamente. Ciò significa che i materiali che si trovano al di sotto di tale discontinuità sono solidi e hanno rigidità e densità differenti. Si ritiene che la diversa velocità delle onde sismiche dipenda da una diversa composizione delle rocce del mantello: il mantello sarebbe composto da peridotiti, rocce ultrafemiche e quindi più rigide e dense delle rocce della costa. Questa discontinuità non è una superficie sferica, ma ha un andamento sinuoso e presenta una serie di curvature che sembrano quasi l'immagine speculare dei rilievi superficiali: la discontinuità si trova più in profondità nelle regioni in cui si osservano rilievi elevati ( 80 km), mentre si avvicina molto alla superficie in corrispondenza dei fondali oceanici( 15-20 km). Ciò significa che la costa non è un involucro di spessore uniforme.

Discontinuità di Rapetti: divide la litosfera(rocce con comportamento rigido; comprende anche la costa) dall'astenosfera( rocce con comportamento più elastico). Si trova a circa 200 km dalla superficie; la velocità delle onde è minore.

Discontinuità di Gutemberg: divide il mantello da e il nucleo. Si trova a una profondità regolare e costante di 2900 km ed è una superficie sferica. La velocità delle onde P diminuisce sensibilmente, mentre le onde S vengono fermate completamente. È necessario ipotizzare che il nucleo, nella sua parte più esterna, sia costituito da materiali stato fuso, che avrebbero una composizione differente da quelli del mantello.

Discontinuità di Lehmann: separa il nucleo esterno da il nucleo interno. Si trova a una profondità di 5000 km circa. Fu scoperta negli anni 60 quando si vide che le onde P che attraversavano il nucleo venivano in parte e riflesse, in parte rifratte, subendo una brusca accelerazione dovuta al passaggio da un mezzo fuso a un mezzo più elastico e denso. Si ritenne quindi che il nucleo fosse fluido solo nella sua parte più esterna. Le onde S arrivate al nucleo scompaiono; le onde P invece attraversano il nucleo con velocità minore. attraversato il nucleo le onde P rigenerano le onde S che arrivano in superficie. Il ritardo dell'onda S ha permesso di intuire la formazione del nucleo

SCHEDA VIOLA: LA SCOPERTA DELLA MOHO

il geofisico Mohorovicic notò che le democrome delle onde P registrate nel sisma di Zagabria del 1906 si incurvavano notevolmente verso l'alto, a una distanza angolare dall'epicentro pari a 2°. Egli comprese che le onde P scese a profondità di circa 50 km venivano bruscamente accelerate perché incontravano il mantello. Così le stazioni sismiche ricevono sia le onde P dirette che quelle rifratte dal mantello. Quest'ultime si muovono più rapidamente. Perciò le stazioni più vicine all'ipocentrocentro ricevono le onde rifratte dopo le onde dirette che hanno viaggiato l'interno della costa, mentre le stazioni più distante ricevono le onde rifratte prima di quelle dirette.

SCHEDA VIOLA: LA ZONA D'OMBRA E LA SCOPERTA DEL NUCLEO

nei primi anni del XX secolo si scoprì che in ogni terremoto esiste una zona d'ombra, cioè una zona della superficie terrestre entro la quale non si registrano onde sismiche dirette. Nel 1914 gutemberg interpretò la zona d'ombra come una prova dell'esistenza di un nucleo, con una composizione diversa rispetto al sovrastante mantello, e fluido nella sua parte più esterna. Secondo la sua interpretazione nel passare dal mantello al nucleo le onde S vengono fermate mentre le onde P vengono riflesse e rifratte e  la loro velocità diminuisce del 40%, perché passano da un mezzo solido a un mezzo fluido. Poiché la distanza angolare della zona d'ombra rispetto all'epicentro è sempre la stessa si deve inoltre ritenere che la sua superficie di discontinuità che separa il nucleo dal mantello si trovi ovunque alla medesima profondità.

LA STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA

LA CROSTA

è l'involucro esterno sottile e rigido del nostro pianeta.

Non è omogenea per composizione e presenta anche notevoli variazioni di spessore: lo spessore è massimo in corrispondenza dei continenti, in particolare dove vi sono rilievi elevati, mentre si riduce a pochi km nei fondali oceanici. Le differenze non si limitano allo spessore: sono infatti due tipi di crosta diversi anche per struttura, composizione ed età.

La crosta continentale: ha una densità media di 2,7 g /cm3. È composta essenzialmente da rocce sialiche, ricoperte da una coltre di sedimenti(sciolti o cementati da rocce detritiche o, più raramente, di rocce carbonatiche). La struttura è molto complicata e variabile da regione a regione. Le rocce presenti sono eterogenee sia per composizione che per genere: vi sono rocce magmatiche, sedimentarie  e metamorfiche, di età diverse. In alcune regioni ci sono rocce antichissime di età superiore ai 3 miliardi di anni. La presenza di catene montuose, di vulcani e di sismi frequenti indicano che la crosta continentale ha una storia lunghissima e travagliata. Le regioni più deformate corrispondono alle catene montuose. Lungo le zone più recenti la crosta continentale appare ancora molto instabile.

La crosta oceanica: è interamente sommersa dalle acque degli oceani e ha uno spessore di pochi km. Ha mediamente una composizione più femica e una densità più elevata. Presenta una  composizione e una struttura molto più uniformi e regolari, in quanto è costituito ovunque da tre strati sovrapposti:

strato superficiale di sedimenti di origine marina: argilliti, r carbonatiche, calcaree e organogene biocostruite

strato di basalti(il pavimento oceanico vero e proprio)

strato di gabbri

lo stato di sedimenti è molto sottile e di spessore variabile. Lo stato dei basalti ha uno spessore di circa 2 km ed è in continuità con quello sottostante. Questi ultimi due strati hanno probabilmente la medesima origine: si sono formati in seguito a un'intensa attività magmatica effusiva(basalti) e intrusiva(gabbri) a partire dal medesimo tipo di magma. La crosta oceanica è molto più giovane e le aree instabili sono concentrate lungo le dorsali e in corrispondenza degli archi insulari.

Entrambe le croste formano un involucro continuo. I confini tra le due sono ben identificabili ma non coincidono con la linea di crosta: intorno a ciascun continente vi è una piattaforma che, pur essendo sommersa dalle acque, è formata da crosta continentale. Al limite esterno di questa piattaforma si osserva una ripida scarpata, che rappresenta il vero confine tra crosta continentale e la crosta oceanica.

IL MANTELLO

ha uno spessore considerevole(costituisce infatti l'83% del volume totale della terra).

La conoscenza della composizione e della struttura di questo involucro si basa quasi esclusivamente sull'analisi dei dati sismici.

Si possono individuare un mantello superiore, in cui si distinguono strati con comproprietà differenti, e un mantello inferiore più omogeneo.

Il mantello superiore si estende fino a una profondità di 700 km ed è formato da rocce ultrafemiche che hanno composizione molto simile a quella delle peridotiti.

Il mantello immediatamente sottostante la moho, detto mantello litosferico, è rigido e più denso della crosta. Dal punto di vista dinamico il mantello litosferico è in stretta continuità con la crosta sovrastante. Anche se la composizione è diversa, per quanto concerne il comportamento elastico e la rigidezza, costa e mantello litosferico si comportano come un unico rigido blocco e reagiscono agli eventuali sforzi come un tutt'uno. A questo involucro esterno(crosta + parte rigida della mantello superiore) viene dato il nome di litosfera.

La litosfera è uno strato rigido ed elastico e ha uno spessore diverso in corrispondenza delle aree continentali e oceaniche(a causa dello spessore della crosta).

Sotto la litosfera si trova l'astenosfera: uno strato del mantello entro la quale il la velocità delle onde sismiche si riduce considerevolmente. I geofisici ritengono che l'astenosfera non sia uno strato completamente fuso, ma uno strato plastico nel quale i materiali si comportano come una poltiglia: solido + fuso. Non sembra che vi sia differenza di composizione tra l'astenosfera e il mantello litosferico. La distinzione dell'astenosfera è di tipo fisico: a una zona rigida, la litosfera, vi si oppone l'astenosfera, duttile in cui le rocce possono facilmente del formarsi senza spezzarsi.

L'astenosfera si estende fino a una profondità di 200 km. Nelle aree oceaniche si avvicina alla superficie terrestre. Dal punto di vista chimico ha una composizione simile a quella del mantello litosferico. Oltre il limite dell'astenosfera i materiali del mantello riacquistano rigidità. Questa zona è detta mesosfera. Alla profondità di 350 km si osserva una discontinuità in corrispondenza della quale le onde accelerano: l'olivina, il minerale componente principale della peridotite, a causa della forte pressione e temperatura elevata, assumerebbe una struttura simile allo spinello, un minerale con un'organizzazione spaziale degli atomi più compatta, che ne aumenta la densità. Questa discontinuità segnerebbe dunque un cambiamento di fase mineralogica: cambia la struttura dei minerali.

A circa 700 km di profondità si osserva un nuovo incremento della velocità delle onde sismiche che indica l'inizio del mantello inferiore.

Nel mantello inferiore si verifica un vero e proprio cambiamento di composizione mineralogica: sarebbero presenti soprattutto ossidi femici, più densi dei materiali sovrastanti e la densità dovrebbe aumentare gradualmente fino al nucleo.

IL NUCLEO

Ha un raggio pari alla metà circa del raggio terrestre e costituisce più del 14% del volume totale della terra. Ha una densità elevatissima che cresce verso il centro. Molte ipotesi, decisamente diverse, sono state azzardate senza che sia stato possibile arrivare a conclusioni certe. In passato si riteneva che il nucleo contenesse solo ferro o al più niche, oggi si reputa probabile la presenza di altri elementi meno pesanti, come silicio, zolfo o ossigeno. La discontinuità de Lehmann divide il nucleo in:

nucleo esterno: si comporta come un fluido. Si ritiene che sia costituito prevalentemente da ferro e nichel e altri elementi più leggeri. Ha uno spessore di 2270 km circa.

Nucleo interno: si comporta come un solido. Si ritiene che sia costituito essenzialmente da una mescolanza di nichel e ferro. Avrebbe una temperatura vicina al punto di fusione, ma per l'elevatissima pressione di fronte a sollecitazioni improvvise si comporta come un solido.

Dal nucleo derivano i comportamenti della terra quali il magnetismo e il calore interno della terra.

LA TEMPERATURA ALL'INTERNO DELLA TERRA

sulla superficie del nostro pianeta, la temperatura risente delle variazioni diurne e stagionali.

Tali variazioni non si avvertono già più a una profondità di 15-30 m dove la temperatura corrisponde a quella media annua della località in superficie. La temperatura qui è costante tutto l'anno: livello di temperatura zero, che è però diverso da zona a zona.

A partire da questo livello la temperatura aumenta di circa 3°C ogni 100 m di profondità. L'aumento di temperatura in funzione della profondità prende il nome di gradiente geotermico. Questo valore non è uguale in ogni punto della terra ma può variare per la presenza di magmi, acque termali ecc.

tuttavia la temperatura aumenta fino alla discontinuità di rapetti, poi rallenta; se così non fosse nostro pianeta dovrebbe essere per la maggior parte allo stato fuso e avere una temperatura uguale a quella delle stelle. Si stima che al centro della terra le temperature siano comprese fra i 4000 e i 4500°C. Nel mantello la temperatura dovrebbe crescere mantenendosi ovunque inferiore a quella richiesta per fondere i materiali presenti anche se i valori, soprattutto nell'astenosfera, dovrebbero essere prossimi alle temperature di fusione.

IL FLUSSO GEOTERMICO

che l'interno della terra sia più caldo degli strati superficiali è confermato da numerosi dati sperimentali: l'attività vulcanica, la produzione di magmi, i terremoti implicano l'esistenza di un calore interno, fonte di energia per i processi di natura endogena.

Inoltre la terra emette nello spazio più calore di quanto ne riceva complessivamente dal sole.

Il flusso geotermico, cioè la quantità di calore emessa da un'unità di superficie in 1 s, è un valore molto piccolo( 15µcal/cm2/s), tale da rendere questo fenomeno poco evidente ai nostri sensi. Tuttavia, poiché la superficie terrestre è molto estesa, la quantità di calore emessa dalla terra in un anno è molto grande, pari a 10 alla ventunesima J.

il valore del flusso geotermico non è costante sulla superficie terrestre. Nelle aree continentali non è molto elevato, ma nelle regioni geologicamente giovani, come i rilievi più recenti, è pressoché il doppio rispetto alle regioni più antiche inattive. Sui fondali oceanici invece il flusso geotermico è molto elevato in corrispondenza delle dorsali oceaniche e diminuisce allontanandosi da queste. In corrispondenza delle fosse oceaniche si registrano i valori minimi.

IL CALORE INTERNO DELLA TERRA

le fonti del calore da cui dipende il flusso geotermico sono probabilmente due:

il calore primordiale: deriva dall'energia gravitazionale, convertita in energia termica durante gli stati iniziali della formazione del pianeta. Si pensa che durante le fasi di accrescimento e contrazione della massa iniziale della terra si sia sviluppata un'enorme quantità di energia che avrebbe portato alla fusione di tutti i materiali presenti. La terra avrebbe assunto l'attuale struttura e successivamente si sarebbe raffreddata diventando un corpo solido nel quale è rimasta immagazzinata una parte del calore primordiale. Questo calore si è in parte conservato perché i materiali solidi, che costituiscono buona parte del volume della terra, hanno una bassa conducibilità termica e disperdono all'esterno il calore molto lentamente.

La radio attività naturale delle rocce della crosta e del mantello: è considerata la fonte principale del calore. Tra gli elementi presenti nelle rocce si trova sempre una piccola frazione di isotopi radioattivi con un periodo di semitività molto lungo(= il tempo necessario affinché la metà dei nuclei instabili di un campione radioattivo si trasformino in isotopi stabili).

Il decadimento radioattivo di queste sostanze è spontaneo e produce energia che viene dissipata all'esterno sotto forma di calore. Solo il 30-35% del flusso di calore deriva dallo radioattività delle rocce della crosta. La radioattività della costa è importante soprattutto nelle aree continentali. I valori del flusso geotermico che si riscontrano sui fondali oceanici non possono essere giustificati considerando soltanto i fenomeni radioattivi che avvengono nella crosta, perché le rocce di fondali contengono una percentuale di elementi radioattivi troppo bassa.

Oggi si ritiene che il calore e rilasciato dalla terra provenga in massima parte da mantello. Il mantello contiene una minore percentuale di sostanze radioattive, ma ha un massa molto più grande della costa perciò nel suo complesso può produrre una quantità di calore abbastanza elevata

il calore viene trasmesso da mantello alla litosfera principalmente per convenzione. È un fenomeno tipico dei fluidi posti a contatto con una sorgente di calore che li riscalda in modo non uniforme. Il fluido a contatto con la sorgente di calore aumenta la sua temperatura, si espande e riduce la sua densità. Di conseguenza tende a salire, spostando lateralmente il materiale più freddo e denso che tende a scendere. Si installano così nel fluido delle celle termiche convettive con correnti ascendenti di materiali caldi e correnti discendenti di materiali freddi. I moti convettivi sono molto frequenti nei liquidi e nei gas ma in condizioni particolare si possono verificare anche in nei solidi. Molti soldi a temperatura elevata possono diventare plastici e comportarsi come fluidi. Nel mantello vi sono le condizioni per l'instaurarsi di moti convettivi. Infatti nel mantello ci sono regioni più calde e regioni più fredde. Si ritiene che le differenze di temperatura provochino il riscaldamento di volumi ingenti di materiali che di conseguenza diventano plastici generando lente correnti ascendenti che raggiungono la litosfera in corrispondenza delle dorsali. Il materiale caldo giunto in prossimità della litosfera verrebbe poi spinto lateralmente e si raffredderebbe diventando più denso. Il materiale freddo sprofonderebbe per tornare nel mantello in corrispondenza delle fosse oceaniche.

Un intero ciclo richiederebbe centinaia di milioni di anni per compiersi interamente e i movimenti di scorrimento sarebbero dell'ordine di pochi centimetri l'anno. Si ritiene che le celle convettive del mantello contribuiscano in modo significativo al raffreddamento terrestre e che siano la causa dei valori anomali del flusso geotermico registrato sui fondali.

IL CAMPO MAGNETICO TERRESTRE

il campo magnetico terrestre può essere ben descritto immaginando che al centro della terra si trovi una barra magnetica, dotata di due poli e inclinata rispetto all'asse terrestre di circa 11,5°. Il polo nord e il polo sud magnetici non coincidono quindi con i poli geografici. Dal polo sud escono le linee di forza del campo che si chiudono poi entrando nel polo nord.

L'intensità del campo magnetico terrestre e l'andamento delle linee di forza possono essere evidenziate in qualsiasi punto della superficie terrestre. Il campo magnetico si estende anche al di sopra della superficie terrestre, con un'intensità che diminuisce con la distanza del pianeta. La regione di spazio che circonda la terra in cui si risente l'azione del campo di un magnetico è detta magnetosfera e costituisce una specie di scudo protettivo contro le radiazioni cosmiche.

È dimostrato che più l'intensità del campo magnetico è elevata più il clima è rigido.

In qualunque luogo della superficie terrestre è possibile misurare la direzione e l'intensità del campo magnetico. Per stabilire la direzione delle linee di forza si può usare una semplice bussola il cui ago calamitato assume sempre posizioni parallele alla direzione delle linee di forza.

L'intensità può essere rilevata con uno strumento particolarmente sensibile, il magnetometro, la cui unità di misura è il gauss.

Il campo magnetico terrestre non è costante e stabile nel tempo. Esistono:

variazioni della direzione e dell'intensità a breve periodo: dipendono probabilmente da fenomeni astronomici

variazioni al lungo periodo: hanno origine internamente alla terra.

Tra le variazioni temporali di origine interna le più importanti sono le inversioni di polarità: con periodicità irregolare il campo magnetico inverte la sua polarità, cioè il polo nord e il polo sud si scambiano di posizione. La causa delle inversioni è ancora incerta. Secondo alcuni geofisici sarebbero in relazione con le correnti, fluide di nichel e ferro, di convenzione a largo raggio che si svilupperebbero in periodi diversi nel nucleo esterno. Sul tende e sul come questo avvenga non esistono dati certi. Alcuni scienziati ritengono che nel corso di inversioni il magnetismo è quasi nullo e che in questi momenti la terra perde una gran parte dello scudo magnetico che l'avvolge e la protegge dal bombardamento dei raggi cosmici. C'è chi ritiene che un bombardamento cosmico di una certa entità possa provocare mutazioni, se non addirittura l'estinzione di intere specie di esseri viventi.