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L’interno della Terra, la mappa in 3D

Quel che avviene all’interno del nostro pianeta è ancora in gran parte sconosciuto. Tutte le idee che ci siamo fatti derivano dallo studio delle onde sismiche che, attraversando la crosta terrestre, il mantello e il nucleo, si muovono a velocità differenti a seconda del materiale che incontrano e delle condizioni fisiche esistenti.

Questo tipo di ricerca ha portato a comprendere che, nel mantello, lo strato che va da poche decine di chilometri di profondità sotto la superficie terrestre fino a 2.900 chilometri, è in atto un movimento ciclico del materiale: quello molto caldo, che si trova vicino al nucleo esterno, risale fino alla crosta, dove si raffredda e ricade nelle profondità del pianeta. Questo movimento è la causa prima della tettonica delle zolle, ossia del movimento delle placche che formano la crosta terrestre.

Ora un gruppo di scienziati della University of Cambdride, utilizzando oltre 2.100 misure ottenute dallo studio dinamico della crosta degli oceani, ha scoperto che le risalite di magma non sono rulli con un ordine di lunghezza di 10.000 chilometri, come si pensava finora, ma di non più di 1.000 chilometri. Se così è bisogna ripensare a come sia possibile che i fondali oceanici vengano sollevati e abbassati anche di 2 chilometri nell’arco di pochi milioni di anni, un fenomeno di cui si hanno prove certe.

interno della terra
L’interno del nostro pianeta è ancora in grande parte un grande mistero.

Sistemi convettivi più piccoli di quel che si pensava non possono avere una tale influenza sui fondali oceanici. Secondo i ricercatori britannici una possibile, nuova interpretazione deve riguardare la velocità con la quale il mantello più profondo sale verso la superficie e poi ricade nelle profondità: un fenomeno che probabilmente avviene a una velocità molto superiore a quella stimata finora.

Lo studio non dà valori di velocità, ma i ricercatori ritengono che deve essere almeno 10 volte superiore a quella finora stimata: se l’ipotesi troverà conferma, saranno molte le idee che guidano il meccanismo della tettonica delle zolle che dovranno essere ridiscusse.

La mappa in 3D dell’interno della Terra

Con l’aiuto di un super computer si sta realizzando la più precisa ricostruzione dell’interno del nostro pianeta fino a 1800 km di profondità: prende forma una straordinaria mappa in 3D delle viscere della Terra.

Ogni terremoto di forte intensità è quasi sempre causa di distruzioni, ma per i geofisici (i geologi che studiano l’interno della Terra) sono anche eventi molto importanti per lo studio dell’interno del nostro pianeta. I terremoti infatti creano onde (dette appunto sismiche) la cui velocità di propagazione permette di capire che cosa c’è sotto la superficie, dal tipo di roccia alla presenza di magma in risalita, fino a depositi di petrolio o di minerali.

mantello terrestre
Tre aree del mantello terrestre sono già state studiate in dettaglio fino a 560 km di profondità

Da molti anni i geofisici utilizzano le onde sismiche per studiare il pianeta. Recentemente Jeroen Tromp e il suo gruppo di lavoro della Princeton University hanno dato il via a un progetto ambizioso, che ha l’obiettivo di definire con grande precisione la struttura del mantello terrestre fino a 1800 km di profondità, che è più o meno la metà della distanza tra la superficie e la parte più esterna del nucleo.

Per lo sviluppo di queste mappe della Terra usano uno dei più potenti supercomputer al mondo, Titan, in grado di eseguire più di 20 milioni di miliardi di calcoli al secondo (20 biliardi per la notazione europea, 20 quadrillion per quella Usa) e che di trova al Dipartimento dell’Oak Ridge National Laboratory del Tennessee.

Tromp sta elaborando le onde sismiche di 3000 terremoti di magnitudo superiore a 5,5 registrate da migliaia di stazioni sismiche di tutto il mondo. Incrociando questa immensa quantità di dati si potranno ricostruire le caratteristiche interne del pianeta. «L’obiettivo finale è una mappa dell’intera Terra in 3D che ci darà modo di avere un quadro molto preciso sulla risalita di magma all’interno del pianeta», ha spiegato Tromp, oltre che a “comporre le strutture anomale”.

Le strutture anomale sono quelle parti di crosta terrestre che si infilano nel mantello là dove ci sono gli scontri tra le zolle. Il movimento di questi corpi causa da un lato forti tensioni nel mantello (tensioni che si scaricano in terremoti), dall’altro alla formazioni di magmi che, a causa della minore densità rispetto alle rocce circostanti, tendono a risalire, dando vita a imponenti eruzioni vulcaniche, generalmente di tipo esplosivo.

interno della Terra
Così appaiono le ricostruzioni eseguite dal supercomputer Titan

Se da un punto di vista teorico tutto ciò sembra relativamente facile da realizzare, dal punto di vista pratico le difficoltà sono immense. Bisogna infatti fare leggere al computer una mole immensa di dati, i quali hanno spesso parametri diversi tra loro; poi bisogna creare i modelli di confronto tra i risultati ottenuti e la realtà. Solo a questo punto si può pensare di spingersi a studiare le profondità della Terra.

l progetto di Tromp ha già dato risultati importanti per tre zone studiate negli ultimi otto anni, usati anche come test di verifica. Le tre zone sono la California, l’Europa e il sud-est asiatico per le quali sono stati analizzati i dati rispettivamente di 143, 190 e 227 terremoti. Questo studio iniziale ha permesso di vedere in profondità fino a 560 km.

Per l’Europa Tromp ha potuto disegnare la lingua di roccia che dall’Africa si incunea sotto il nostro continente. Una ricostruzione che permette di identificare aree pericolose dal punto di vista sismico e non ritenute tali da osservazioni fatte solo in superficie. Secondo il geofisico, il quadro preciso e dettagliato dell’intero pianeta potrebbe essere pronto prima della fine del 2015.

Struttura interna

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.

interno della Terra

Rapporto profondità-pressione-temperatura

Con l’aumentare della profondità aumenta la temperatura, mediamente, in una litosfera continentale stabile e a partire dalla superficie, la temperatura aumenta di 3 °C ogni 100 metri (circa 30 °C 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.

Modalità di osservazione delle zone interne alla Terra

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.

Gli altri strati della Terra

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.

Meccanicamente si può suddividere in litosfera, astenosfera, mesosfera, nucleo esterno e nucleo interno. Gli strati dei componenti geologici della Terra si trovano sotto la superficie alle seguenti profondità:

Profondità Strato
km miglia
0–60 0–37 Litosfera (localmente varia tra 5 e 200 km)
0–35 0–22 … Crosta (localmente varia tra 5 e 70 km)
35–60 22–37 … La parte più esterna del mantello
35–2890 22–1790 Mantello
100–200 62–125 … Astenosfera
35–660 22–410 … Mantello superiore
660–2890 410–1790 … Mantello inferiore
2890–5150 1790–3160 Nucleo esterno
5150–6360 3160–3954 Nucleo interno

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.

Scienze della Terra: la struttura del pianeta – National Geographic

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Herndon, J. Marvin (1994) Planetary and Protostellar Nuclear Fission: Implications for Planetary Change, Stellar Ignition and Dark Matter Proceedings: Mathematical and Physical Sciences, Vol. 445, No. 1924 (May 9, 1994) , pp. 453–461
  2. Herndon, J. Marvin (1996) Substructure of the inner core of the Earth Vol. 93, Issue 2, 646-648, January 23, 1996, PNAS
  3. Hollenbach, D. F. ,dagger and J. M. HerndonDagger (2001) Deep-Earth reactor: Nuclear fission, helium, and the geomagnetic field Published online before print September 18, 2001, 10.1073/pnas.201393998, September 25, 2001, vol. 98, no. 20, PNAS
  4. Lehmann, I. (1936) Inner Earth, Bur. Cent. Seismol. Int. 14, 3-31
  5. Schneider, David (Oct 1996) A Spinning Crystal Ball, Scientific American
  6. Wegener, Alfred (1915) “The Origin of Continents and Oceans”
  7. T. H. Jordan, “Structural Geology of the Earth’s Interior“, Proceedings of the National Academy of Science, 1979, Sept., 76(9): 4192–4200.
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