Geodinamica Terrestre: Fonti di Energia Interna, Flusso di Calore e Convezione del Mantello

L'Energia Interna della Terra

Fonti di Energia Interna

La Terra riceve energia solare (esterna) ed emana calore ed energia meccanica dall'interno. Le principali fonti di calore interno della Terra sono:

• Il calore rilasciato dai processi di fissione radioattiva di minerali presenti nel mantello e nella crosta.
• Il calore primario, che a sua volta ha due origini:
  • L'energia d'impatto derivante dall'accrescimento delle particelle durante la formazione della Terra, in gran parte trasformata in energia termica e conservata all'interno del pianeta grazie alla bassa conducibilità termica dei materiali.
  • L'energia rilasciata durante la differenziazione del nucleo.

Concetti Chiave dell'Energia Interna

Gradiente Geotermico:

L'aumento di temperatura di 1 °C che si registra ogni 33 metri di profondità.

Grado Geotermico:

Il numero di metri che è necessario approfondire affinché la temperatura aumenti di 1 °C.

Vulcani

Origini del Calore Vulcanico:

• Calore Profondo: Il valore profondo è uniforme in tutto il mondo.
• Calore Corticale: Varia da luogo a luogo a seconda del contenuto più o meno di elementi radioattivi. È quest'ultima che avrà una maggiore influenza sulla dinamica delle placche litosferiche e sui fenomeni vulcanici.

Materiali Espulsi dai Vulcani:

• Gassosi: Vapori e gas vulcanici.
• Liquidi: Lava e colate laviche.
• Solidi: Ceneri, lapilli, bombe vulcaniche.

Terremoti e Energia Elastica

Esistono tre tipi di deformazione delle rocce: elastica, plastica e fragile. Secondo la teoria del rimbalzo elastico, le rocce possono subire deformazioni elastiche, accumulando stress fino a un certo limite che supera la resistenza del materiale, liberando energia e causando fratture con conseguente faglia.

La dissipazione di energia in un terremoto deriva dal rilascio improvviso di energia elastica immagazzinata nelle rocce al momento della loro rottura. L'energia elastica può accumularsi per anni ed essere rilasciata in pochi secondi. Non tutta l'energia viene rilasciata sotto forma di onde sismiche, ma parte di essa si trasforma in calore per attrito.

I terremoti sono causati da tre tipi di forza sulla litosfera:

• Da forze di compressione orizzontale che generano faglie inverse (di spinta).
• Da forze di tensione orizzontale che generano faglie dirette.
• Da forze di taglio orizzontale che generano faglie trascorrenti.

Flusso di Calore

Il flusso di calore è la quantità di energia termica che, per conduzione, raggiunge la superficie terrestre dall'interno del pianeta. Nonostante le rocce siano cattivi conduttori di calore, questo processo è fondamentale per il trasferimento di energia. Il flusso di calore è espresso dalla formula: Q = K • dT / dz.

Correnti di Convezione

Poiché le rocce sono molto poveri conduttori, la conduzione non è l'unico meccanismo di propagazione del calore. Un altro processo fondamentale all'interno della Terra è la convezione, un fenomeno fisico che si verifica quando un fluido, riscaldato, si espande, diventa meno denso, sale verso la superficie, si raffredda e poi ridiscende. Movimenti convettivi sono osservati costantemente nell'atmosfera, nell'idrosfera e all'interno della Terra.

Esistono due soluzioni classiche per la convezione del mantello:

• Il sistema di convezione unica (che coinvolge l'intero mantello).
• Il modello con due livelli di mantello convettivo separati (mantello superiore e inferiore).

Esiste anche un modello ibrido più recente che suggerisce l'esistenza di due livelli convettivi che corrispondono alla separazione tra mantello superiore e inferiore, ma incorpora la possibilità che entrambi i livelli possano interagire.

Il ramo ascendente della convezione del mantello inferiore avrebbe una componente diffusa e un'altra localizzata, generata nel livello D, sotto forma di strette 'piume' di materiali caldi. Le piume che raggiungono la superficie originano magmi superficiali che contribuiscono alla frammentazione dei continenti, ma non sono direttamente correlate alla tettonica a placche, essendo note come hot spot (punti caldi).

Il ramo discendente della convezione del mantello superiore sarebbe guidato dalla combinazione di due processi:

• Lo scorrimento gravitazionale della litosfera dalle dorsali oceaniche verso le fosse di subduzione, dove la placca subdotta e la conseguente attrazione gravitazionale generata dal peso dei frammenti densi e freddi della placca sono sufficienti a infrangere la barriera del mantello inferiore e raggiungere lo strato D.

Quando una placca si muove sopra un punto caldo fisso, il vulcano formatosi si sposta con la placca, ma il punto caldo rimane nella stessa posizione. Questo porta alla formazione di nuovi vulcani in sequenza, creando una linea di vulcani che, se in ambiente marino, danno origine a catene di isole.