02 La formazione della Terra_02

Alfonso Bosellini
I materiali
della Terra solida
Capitolo 1
La Terra: uno sguardo introduttivo
La formazione della Terra
e la sua evoluzione primordiale
Lezione 2
Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012
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1.4
La Terra primordiale
Circa 4,6 miliardi di anni fa una densa nebulosa,
molto fredda e in lenta rotazione,
costituita da polveri e gas, iniziò a contrarsi.
Nebulosa
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3
1.4
La Terra primordiale
La materia si concentrò nella zona centrale,
dove si formò il protosole, attorno al quale le polveri e i gas
residui si disposero a formare un disco in rotazione.
Protosole
2
1
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1.4
La Terra primordiale
Nella parte più esterna del disco, i gas e le polveri
originarono granuli che collidendo
si aggregarono in piccoli agglomerati, i planetesimi.
Protosole
2
Planetesimo
1
3
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1.4
La Terra primordiale
Dalle ripetute collisioni dei planetesimi si originarono
i pianeti terrestri; dalla concentrazione dei gas si
originarono
i pianeti gioviani e si strutturò il sistema solare.
2
1
Sole
Pianeta
3
Sistema solare
4
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1.4
La Terra primordiale
La Terra si formò per aggregazione di planetesimi,
per effetto dell’attrazione gravitazionale.
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3
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1.4
La Terra primordiale
Circa 4,5 miliardi di anni fa la Terra entrò in collisione
con un corpo celeste delle dimensioni di Marte.
L’impatto scagliò nello spazio uno sciame di frammenti,
dalla cui aggregazione si formò la Luna.
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1.4
La Terra primordiale
La pioggia ininterrotta di planetesimi continuò a colpire
i vari corpi celesti fino a 3,8 miliardi di anni fa,
distruggendo ogni traccia di crosta primitiva sulla Terra.
Per questa ragione sulla Terra
non si conoscono rocce con più di 3,8÷4,2 miliardi di anni.
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Sorgenti di calore nella Terra
1.
Conversione dell’energia cinetica in energia termica
Trasformazione in calore dell’energia cinetica dei meteoriti che colpivano
la Terra
2. Conversione dell’energia gravitazionale in energia termica.
Durante la “catastrofe del Ferro” e lo spostamento dei silicati più leggeri
verso il mantello e la crosta si liberò una gran quantità di energia
gravitazionale che si trasformò in calore.
3. Riscaldamento adiabatico
Progressivo aumento di massa del pianeta con conseuente aumento della
pressione e quindi della temperatura
4. Radioattività di isotopi a vita breve
Calore prodotto inizialmente dal decadimento di elementi radioattivi con
tempi di dimezzamento brevi
5. Radioattività di isotopi a lunga vita
Calore prodotto e che si stà ancora producendo da parte di minerali
radioattivi concentrati principalmente nelle rocce granitiche della crosta
I primi tre fenomeni da soli possono aver portato la
temperatura interna del pianeta a 1000 °C.
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1.5
«Catastrofe del ferro» e differenziazione
L’aumento della temperatura portò alla fusione del ferro che,
a causa della sua elevata densità, sprofondò
verso il centro della Terra (catastrofe del ferro).
Materiali più leggeri
Ferro
Questo fenomeno liberò energia gravitazionale,
con conseguente fusione di larga parte del pianeta
e successivo processo di differenziazione gravitativa.
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1.5
«Catastrofe del ferro» e differenziazione
La Terra si stratificò diventando un pianeta «zonato».
Crosta (0÷40 km)
Nucleo esterno di ferro fuso
(2890÷5150 km)
Nucleo interno di ferro solido
(5150÷6370 km)
Mantello (40÷2890 km)
Un terzo della massa primordiale della Terra
si addensò al centro e costituì un nucleo a base di ferro.
I materiali più leggeri migrarono verso l’esterno
e formarono la crosta primitiva.
Tra crosta e nucleo si collocarono materiali con
caratteristiche intermedie che originarono il mantello.
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1.6
Zonazione chimica della Terra
Il 90 % del pianeta Terra nel suo insieme è formato
da soli quattro elementi: ferro, ossigeno, silicio e magnesio.
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1.6
Zonazione chimica della Terra
Ossigeno, silicio e alluminio, invece,
formano da soli l’80% della crosta terrestre.
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1.6
Zonazione chimica della Terra
La zonazione chimica verticale dei vari elementi
non fu dovuta al loro diverso peso specifico.
Fu determinata dalle proprietà fisiche e chimiche (punto di
fusione, densità etc) dei minerali che gli elementi andarono
a formare:
• nella crosta i feldspati, così come uranio
e torio sotto forma di ossidi e di silicati;
• nel mantello, silicati di ferro e di magnesio;
• nel nucleo, oro e platino, che hanno
poca affinità con ossigeno e silicio.
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1.6
Zonazione chimica della Terra
Il calore radioattivo fu facilmente disperso nell’atmosfera,
perché i materiali radioattivi si erano concentrati nel guscio
esterno.
Anche il nuovo meccanismo della convezione contribuì a
trasferire il calore verso la superficie.
L’aumento della temperatura interna della Terra rallentò
molto e il pianeta poté raffreddarsi in tempi relativamente
brevi.
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1.7
Atmosfera, idrosfera e crosta primitive
Le continue eruzioni vulcaniche liberarono
grandi quantità di gas, principalmente idrogeno,
vapore acqueo, azoto e diossido di carbonio.
L’idrogeno, molto leggero, sfuggì nello spazio,
mentre i gas più pesanti avvolsero la Terra,
andando a formare l’atmosfera primordiale.
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1.7
Atmosfera, idrosfera e crosta primitive
Quando la temperatura superficiale scese sotto il punto
critico dell’acqua, il vapore acqueo iniziò a condensare e a
riempire le parti depresse della superficie terrestre.
Si formarono i primi oceani
e si formò l’idrosfera primordiale.
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1.7
Atmosfera, idrosfera e crosta primitive
Si ritiene che i materiali che costituiscono la crosta
si siano formati gradualmente attraverso vari processi:
• emissioni di lava, seguite da rifusione parziale
delle rocce appena consolidate;
• degradazione per opera degli agenti atmosferici,
con formazione di un primitivo regolite;
• riassorbimento e riciclo dei sedimenti
all’interno della Terra per opera di processi
vulcanici e tettonici.
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1.8
Il sistema Terra e le sue «sfere»
L’insieme delle diverse parti del nostro pianeta e le loro
reciproche interazioni costituiscono il sistema Terra.
La Terra può essere idealmente suddivisa in «sfere»,
in base alla densità dei materiali che la costituiscono.
Atmosfera
Idrosfera
Biosfera
Litosfera
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1.8
Il sistema Terra e le sue «sfere»
L’idrosfera è la componente liquida della Terra
e comprende le acque dei mari
e quelle continentali, fiumi, laghi e ghiacciai.
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1.8
Il sistema Terra e le sue «sfere»
L’atmosfera è la componente gassosa della Terra
ed è costituita dall’aria, che avvolge tutto il pianeta.
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1.8
Il sistema Terra e le sue «sfere»
La litosfera è la componente solida superficiale
ed è costituita dalle rocce.
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1.8
Il sistema Terra e le sue «sfere»
La biosfera, comprende gli organismi viventi
e l’ambiente con cui questi interagiscono.
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1.8
Il sistema Terra e le sue «sfere»
Vi sono due diversi criteri di suddivisione della Terra solida.
Criterio
chimico-mineralogico
Criterio basato
sullo stato fisico dei materiali
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1.8
Il sistema Terra e le sue «sfere»
Il sistema Terra è caratterizzato da complesse
relazioni tra le diverse «sfere» che avvengono
con scambi di materia e di energia.
Questi processi sono attivati e sostenuti
dal calore interno della Terra e dall’energia solare
che arriva alla sua superficie.
Il calore interno favorisce i processi endogeni
(movimenti nel mantello, nel nucleo, fusione delle rocce,
formazione di catene montuose, ecc.).
L’energia solare favorisce i processi esogeni
(movimenti di fluidi, passaggi di stato, tempo atmosferico,
clima, modellamento superficiale, ecc.).
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1.8
Il sistema Terra e le sue «sfere»
Il sistema Terra può essere suddiviso in 3 sottosistemi,
o geosistemi, che operano su scala globale:
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1.8
Il sistema Terra e le sue «sfere»
Il sistema clima coinvolge tutte le componenti del sistema Terra;
le loro interazioni concorrono a determinare il clima su scala globale
e le sue variazioni nel tempo.
Il clima non esprime soltanto il comportamento dell’atmosfera,
ma è influenzato anche dai molteplici processi che coinvolgono l’idrosfera,
la litosfera e la biosfera.
Il sistema tettonica delle placche è attivato dal calore interno della Terra.
Esso si compie attraverso flussi di materia e di energia
(moti convettivi) tra mantello profondo, astenosfera e litosfera.
Il ciclo delle rocce, le deformazioni alle quali sono sottoposti
i materiali litosferici, i terremoti, le eruzioni vulcaniche,
la formazione degli oceani e delle catene montuose sono tutte
conseguenze delle interazioni tra le varie componenti della Terra solida.
Il sistema geodinamo, responsabile dell’esistenza del campo magnetico
terrestre, ha origine profonda, ma è in grado di interagire con
le componenti più esterne del sistema Terra, come la biosfera e l’atmosfera.
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