Strutture della Terra: metodi d'indagine, crosta, mantello, nucleo, atmosfera e idrosfera

Metodi di studio: metodi diretti e indiretti

I metodi diretti di studio sono quelli che forniscono dati verificabili sull'oggetto indagato. I metodi indiretti, invece, vengono applicati per ottenere informazioni sugli oggetti senza poterli manipolare direttamente.

1.1 Metodi indiretti

Metodo sismico

Lo studio dei terremoti riguarda le vibrazioni della crosta terrestre, registrate come onde da un sismografo. Le onde che possono essere registrate sono:

• Onde P: primarie o longitudinali; sono le prime a raggiungere i sismografi e quindi le più veloci. Vibrano nella stessa direzione della propagazione dell'onda. Nei liquidi la loro velocità di trasmissione è ridotta.
• Onde S: secondarie o trasversali; sono rilevate dopo le P e sono più lente. Vibrano perpendicolarmente alla direzione d'onda e non si propagano nei fluidi.
• Onde L: onde lunghe o di superficie; vengono individuate come le ultime, sono le più lente e possono causare danni alla superficie.

Le onde che forniscono informazioni principali sulla struttura interna sono soprattutto le P e le S. Studiando la velocità e il comportamento delle onde P e S attraverso l'interno della Terra si individuano zone con cambiamenti bruschi di velocità, chiamate discontinuità sismiche, che separano strati con caratteristiche o composizione diverse. Le principali sono:

• Discontinuità di Mohorovičić (Moho)
• Canale a bassa velocità
• Discontinuità di Gutenberg
• Discontinuità di Lehmann

Metodo magnetico

Il metodo magnetico comprende studi e misure del campo magnetico terrestre per rilevare anomalie o variazioni magnetiche. Il campo magnetico terrestre è simile a quello di un dipolo; i poli magnetici non coincidono sempre esattamente con i poli geografici e possono invertire la loro polarità (inversioni dei poli). La variazione secolare modifica l'orientamento dei minerali magnetici ed è importante per la datazione paleomagnetica.

Metodo gravimetrico

Il metodo gravimetrico studia le piccole variazioni del campo di gravità dovute a variazioni di rilievo e di densità dei materiali sottostanti.

Altre fonti di informazione

• Studio della densità: la densità media della Terra è di circa 5,5 g/cm³, mentre la densità della crosta è circa 2,8 g/cm³, il che suggerisce l'esistenza di un nucleo molto denso.
• Studio delle meteoriti: alcune meteoriti conservano tracce dell'origine del sistema solare e la loro composizione può essere assimilata a quella degli strati terrestri primordiali. Si distinguono tre tipi principali di meteoriti:
  • Sideriti (meteoriti ferrose): composte principalmente da Fe e Ni (analogie con il nucleo).
  • Sideroliti: contenenti una miscela di metallo e silicati (analogie con il mantello).
  • Litometeoriti (meteoriti rocciose): composte da silicati (analogie con la crosta).
• Studi geotermici: basati sulla produzione di calore interna del pianeta; si individuano aree ad alta produzione (per esempio dorsali) e zone più fredde (per esempio regioni in subduzione).
• Studio dei materiali vulcanici: analizzando i materiali emessi dai vulcani è possibile determinare la composizione della crosta profonda e del mantello.

2. Tempo geologico

2.1 Divisioni del tempo

Le prime divisioni geologiche sono basate su criteri stratigrafici e paleontologici. Tra gli elementi considerati:

• Discordanze: separano due serie di materiali con diverse caratteristiche strutturali o sedimentarie.
• Estinzioni di specie: l'assenza di certi fossili in determinati intervalli stratigrafici può indicare eventi di estinzione.

Storicamente si identificarono tre grandi gruppi di materiali, corrispondenti a intervalli geologici:

• Paleozoico: rocce caratterizzate da intense deformazioni e metamorfismo, contenenti fossili di organismi antichi.
• Mesozoico: rocce sedimentarie meno deformate, con fossili di organismi distinti rispetto ai periodi precedenti.
• Cenozoico: rocce poco o per nulla piegate, contenenti fossili simili agli organismi attuali.

La storia della Terra (circa 4.500 Ma) è suddivisa in unità temporali gerarchiche: eoni, ere, periodi e così via.

2.2 Fossili

La presenza di fossili negli strati è un criterio fondamentale per correlare sequenze rocciose provenienti da luoghi diversi. Per considerare un fossile come indice (fossile guida) deve avere:

• Ampia distribuzione geografica;
• Breve intervallo di esistenza geologica (durata biostratigrafica limitata).

2.3 Scala del tempo geologico

La scala del tempo geologico organizza gli eventi e le formazioni in ordine cronologico: eoni, ere, periodi, epoche e piani.

3. L'età delle rocce: datazione assoluta e relativa

La datazione assoluta consiste nel determinare l'età numerica di una roccia, spesso espressa in milioni di anni (Ma). La datazione relativa fornisce invece l'ordine cronologico degli eventi geologici rispetto ad altri.

3.1 Datazione con il carbonio-14

Gli atomi di C-14 sono radioattivi e decadono nel tempo. Quando un tessuto organico muore non incorpora più C-14: il numero di atomi radioattivi si dimezza con il tempo di dimezzamento di circa 5.730 anni. Questo metodo è utile per datare materiali organici fino a decine di migliaia di anni.

3.2 Datazione relativa

I principali criteri per la datazione relativa includono:

• Principio di sovrapposizione: gli strati sedimentari sono disposti in successione; quelli superiori sono più recenti di quelli sottostanti.
• Principio delle relazioni geologiche: strutture o processi che modificano gli strati (intrusioni, faglie) sono più recenti degli strati stessi.
• Correlazione biostratigrafica: se due successioni sedimentarie contengono gli stessi fossili guida, possono essere ritenute coeve.

Composizione geochimica

La suddivisione geochimica del pianeta avviene in funzione delle discontinuità sismiche e della composizione dei livelli. Tra gli orizzonti principali si individuano:

• Crosta continentale: copre le zone emerse dei continenti.
• Crosta oceanica: più sottile della crosta continentale e corrisponde alle zone sommerse.
• Discontinuità di Mohorovičić (Moho): a profondità variabile, tipicamente tra 3 e 70 km.
• Mantello superiore
• Canale a bassa velocità: situato intorno a 670 km (zona di transizione verso il mantello inferiore).
• Mantello inferiore
• Discontinuità di Gutenberg: intorno a 2.900 km, separa mantello e nucleo.
• Nucleo esterno: liquido
• Discontinuità di Lehmann: separa nucleo esterno e nucleo interno (intorno a 5.150 km).
• Nucleo interno: solido

Composizione dinamica

La Terra può essere anche suddivisa in base al comportamento meccanico dei suoi strati:

• Litosfera: strato rigido formato dalla crosta e dalla parte superiore del mantello, con spessori variabili (fino a qualche centinaio di km).
• Astenosfera: porzione del mantello superiore parzialmente plastica o parzialmente fusa a causa di temperature e pressioni elevate; la sua estensione è oggetto di studio.
• Mesosfera: corrisponde al mantello inferiore con comportamento più rigido rispetto all'astenosfera.
• Strato D: sottile zona di transizione vicino al limite nucleo-mantello, con possibile parziale fusione.
• Endosfera: comprende il nucleo esterno e il nucleo interno.

Struttura e composizione della crosta

Le velocità delle onde sismiche nella crosta variano tra aree continentali e oceaniche, permettendo di distinguere i due tipi di crosta.

2.1 Crosta oceanica

La crosta oceanica è generalmente giovane (raramente supera i 180 Ma) a causa dei processi di creazione e distruzione ai margini delle placche (dorsali e zone di subduzione). Si distinguono diverse componenti:

• Struttura verticale:
  • Strato superficiale di sedimenti: più spesso vicino ai margini continentali e fino agli assi delle dorsali.
  • Strato di basalti sottomarini e colate di lava; dykes e colate basaltiche.
  • Strato inferiore di rocce plutoniche: gabbri, diabase e pirosseniti.
• Struttura orizzontale: la differenza tra crosta continentale e oceanica si riscontra nella presenza di aree emerse (continenti) e sommerse (bacini oceanici).

Caratteristiche dei margini e del fondale oceanico:

1. Piattaforma continentale: porzione del continente sommersa a bassa profondità; di grande importanza economica.
2. Scarpata continentale: pendenza che collega la piattaforma al piano abissale; spesso caratterizzata da valli e canyon sottomarini.
3. Fosse abissali (trench): strette e profonde depressioni del fondo marino, spesso vicine a margini convergenti o archi insulari; sono zone sismicamente attive.
4. Pianura abissale: vaste aree quasi pianeggianti del fondo oceanico, caratterizzate da crosta oceanica.
5. Elevazioni del fondo marino: altipiani e rilievi di varia natura sul fondo oceanico.
6. Dorsali oceaniche: sistemi di creste interconnesse con una fessura centrale (rift), attraversate da faglie trasformi; sono aree di intensa attività sismica, vulcanica e tettonica.

2.2 Crosta continentale

La crosta continentale è più spessa rispetto a quella oceanica ma ha densità inferiore ed è prevalentemente granitica. Tradizionalmente si distinguono tre livelli:

• Livello 1: strato superiore di rocce sedimentarie e vulcaniche con inclusioni granitiche.
• Livello 2: strato intermedio con rocce plutoniche e metamorfiche.
• Livello 3: basamento profondamente costituito da rocce di natura fondamentale.

Osservando la Terra in pianta si individuano tre tipi principali di strutture:

• Scudi: aree tettonicamente stabili, spesso prive di uno spesso pacchetto sedimentario e coperte da rocce intrusive e metamorfiche; tendono a occupare il nucleo dei continenti.
• Piattaforme: zone di transizione tra scudi ed aree orogeniche, caratterizzate da uno spesso pacchetto sedimentario.
• Orogene: catene montuose e sistemi di pieghe e faglie associati a margini convergenti.

La zona di transizione tra continenti e oceani è spesso indicata come crosta di transizione.

Struttura e composizione del mantello

Il mantello è lo strato intermedio che si estende dalla discontinuità di Mohorovičić fino alla discontinuità di Gutenberg. La presenza di un canale a bassa velocità separa, in parte, il mantello superiore dal mantello inferiore; questa discontinuità può essere dovuta ad effetti di temperatura e composizione. Il mantello superiore, con la sua parte rigida, forma la litosfera; al di sotto del canale a bassa velocità si individua l'astenosfera, parzialmente fluida o plastica. La composizione delle rocce del mantello superiore è ricca di olivina e pirosseni (peridotiti).

Struttura e composizione del nucleo della Terra

Il nucleo è lo strato più interno della Terra, estendendosi dalla discontinuità di Gutenberg fino al centro del pianeta. La discontinuità di Lehmann separa il nucleo esterno liquido dal nucleo interno solido. La densità calcolata per il nucleo e l'esistenza del campo magnetico terrestre sono coerenti con un nucleo composto prevalentemente da ferro, con apporto di nichel e altri elementi.

Composizione e strati dell'atmosfera

La composizione dell'aria è relativamente semplice: circa 78% di azoto, 21% di ossigeno, ~0,93% di argon, 0,035% di anidride carbonica (valore medio attuale) e una quantità variabile di vapore acqueo e particelle in sospensione.

Si distinguono due aree principali: omosfera ed eterosfera.

5.1 Omosfera

L'omosfera si estende fino a circa 80 km di altitudine; la composizione chimica è ben mescolata. All'interno si riconoscono i seguenti strati:

• Troposfera: fino a circa 13 km di altitudine; qui si concentra la maggior parte del vapore acqueo e si verificano i fenomeni meteorologici.
• Tropopausa
• Stratosfera: si estende fino a circa 50 km; al suo interno la temperatura aumenta con l'altitudine nella regione dello strato di ozono, che assorbe i raggi UV.
• Stratopausa
• Mesosfera: fino a circa 80 km; caratterizzata da temperature molto basse.

La mesopausa separa omosfera ed eterosfera.

5.2 Eterosfera

L'eterosfera (spesso identificata con la termosfera o ionosfera) è caratterizzata da elevate temperature e da un'alta percentuale di molecole ionizzate a causa dell'azione della radiazione solare ad alta energia.

Circolazione atmosferica generale

La radiazione solare riscalda in modo differenziato la superficie terrestre: le regioni equatoriali ricevono più energia rispetto alle regioni polari. L'aria calda tende a salire, mentre l'aria fredda e più densa tende a scendere; questo genera moti convettivi che costituiscono una circolazione globale dell'atmosfera.

La rotazione terrestre provoca la deviazione delle traiettorie delle masse d'aria: esse si deflettono verso destra nell'emisfero nord e verso sinistra nell'emisfero sud. Questo fenomeno è noto come forza di Coriolis.

La distribuzione latitudinale delle aree di pressione e dei venti principali è così organizzata:

• Zone subtropicali (intorno a 30°): aree di alta pressione che favoriscono la presenza di venti stabili e gli alisei nelle zone più basse.
• Zona equatoriale: area di bassa pressione (cella di Hadley) con convergenza di venti e intensa attività convettiva.
• Zone subpolari: aree di alta pressione con venti che tendono a spostarsi verso ovest o a formare correnti polari.

7. Idrosfera

L'idrosfera comprende tutte le acque presenti sulla superficie terrestre.

7.1 Proprietà fisiche

La proprietà fisica fondamentale dell'acqua è la sua densità, circa 1 g/cm³ per l'acqua pura a 4 °C (punto di massima densità). Il ghiaccio è meno denso dell'acqua liquida. La temperatura media globale (~15 °C) permette l'esistenza dell'acqua nei tre stati (solido, liquido, gassoso).

L'acqua è distribuita in modo non uniforme: circa il 97% è contenuta negli oceani; il restante 3% è acqua dolce, in parte concentrata in ghiacciai e acque sotterranee; solo una piccola frazione è disponibili in fiumi, laghi, suolo e atmosfera per l'uso umano.

7.2 Ciclo dell'acqua

I movimenti e i cambiamenti di fase dell'acqua costituiscono il ciclo idrologico: l'energia solare provoca l'evaporazione dall'oceano e dalle acque interne; il vapore si condensa in atmosfera formando nubi; il raffreddamento provoca precipitazioni (pioggia o neve); l'acqua scorre nei fiumi, forma ghiacciai o percola nel suolo alimentando le acque sotterranee, che infine ritornano all'oceano.

7.3 Acque oceaniche

Gli oceani agiscono come grandi serbatoi che ricevono materiale trasportato dai fiumi. La salinità degli oceani deriva dagli ioni disciolti apportati dai corsi d'acqua e dalle interazioni con le rocce; le dorsali oceaniche contribuiscono inoltre alla produzione di elementi solubili nel mare tramite processi idrotermali.

La temperatura varia con la profondità e con la latitudine. Esiste uno spesso strato superficiale relativamente caldo (da 200 a 500 m di profondità) con temperature tra 12 e 30 °C, mentre le acque profondi hanno temperature comprese tra -1 e 5 °C. Il confine tra lo strato superficiale e le acque profonde, dove la temperatura varia rapidamente, è chiamato termoclino (tipicamente tra 200 e 1.000 m di profondità).

Le variazioni di temperatura e salinità con la latitudine distinguono mari intertropicali più caldi da quelli più freddi delle alte latitudini. Nelle regioni tropicali la salinità tende a essere maggiore a causa dell'evaporazione e di minori precipitazioni.

La circolazione delle acque oceaniche

• Correnti oceaniche: grandi masse d'acqua in movimento interne agli oceani, generate da differenze di temperatura e salinità (circolazione termoalina), dall'azione dei venti (correnti superficiali) e dall'effetto della rotazione terrestre.
• Onde: fenomeni oscillatori della superficie oceanica, principalmente prodotte dal vento e, in alcuni casi, da movimenti improvvisi del fondale marino.

Le maree sono movimenti periodici di innalzamento e abbassamento del livello del mare causati dall'attrazione gravitazionale differenziale della Luna e del Sole.