| Cosmologia
Nella seconda metà del '700 Kant e Laplace hanno formulato la teoria della nebulosa primordiale. Inizialmente una nube di gas ruotava su se stessa; ha cominciato a contrarsi e a ruotare per effetto della gravità. Ha poi assunto una forma appiattita, un disco attorno al nucleo centrale. Secondo Kant-Laplace pianeti e stelle si sono formati tutti contemporaneamente. In realtà pare che si siano formati in momenti diversi. Il Sistema Solare si è formato circa 5 miliardi di anni fa da una nebulosa sostanzialmente piccola i cui materiali derivavano dall'esplosione di una supernova. Il Sole prima e i pianeti poi si sono formati attorno a nuclei di condensazione, addensamenti di polvere in cui era maggiore la materia e quindi la gravità.
I fenomeni sismici
I terremoti sono rapide e violente vibrazioni della crosta terrestre, percepite in superficie come scosse. Le scosse possono essere di tipo:
sussultorio, se il sisma si avverte come movimento verticale
ondulatorio, se il sisma si avverte come movimento orizzontale
rotatorio, se vi è interferenza tra i primi due tipi di scosse
L'origine dei terremoti viene normalmente spiegata mediante la teoria del rimbalzo elastico: quando i materiali della crosta terrestre sono sottoposti a sforzi dapprima si deformano elasticamente fino a raggiungere il limite di rottura, in seguito si spaccano, liberando repentinamente l'energia accumulata sotto forma di calore e vibrazioni.
L'ipocentro o fuoco del terremoto è il luogo in profondità nel quale avviene la rottura della massa rocciosa e da cui partono le vibrazioni che si propagano come onde sferiche (onde sismiche) in tutte le direzioni. Il punto della superficie terrestre raggiunto per primo e con maggiore intensità dalle onde sismiche è detto invece epicentro, poiché situato sulla verticale dell'ipocentro.
La scossa principale di un terremoto può essere anche preceduta da un complesso di scosse premonitrici e seguita da una serie di scosse di assestamento.
I terremoti vengono classificati in base al meccanismo che li genera in: tettonici, vulcanici, da crollo, da esplosione (artificiali).
Le onde sismiche possono essere di tipi diversi:
longitudinali o di compressione: provocano una variazione di volume del materiale attraversato; possono propagarsi nei materiali allo stato solido, fluido o aeriforme.
trasversali o di distorsione: provocano una variazione di forma del materiale attraversato; non possono propagarsi nei fluidi.
superficiali o onde L: vengono generate in corrispondenza dell'epicentro quando le onde longitudinali e trasversali raggiungono la superficie; sono le maggiori responsabile dei danni provocati dai terremoti, poiché viaggiano in corrispondenza della superficie e la loro energia si disperde molto lentamente con la distanza.
Le onde sismiche si propagano in base ai principi dell'ottica geometrica, e la loro velocità varia in funzione dello stato fisico e della composizione delle rocce attraversate.
I sismografi registrano nei sismogrammi i tempi di propagazione dei diversi tipi di onde sismiche. Ciò può consentire di formulare ipotesi sulla natura chimica e fisica dei materiali che costituiscono l'interno della Terra.
Nei sismogrammi le onde longitudinali vengono sempre registrate per prime (onde P o primarie), in quanto si propagano più velocemente delle onde trasversali (onde S o secondarie).
La distanza dell'epicentro di un terremoto da una stazione di rilevamento viene individuata confrontando i tempi di arrivo delle onde P ed S registrati dal sismogramma con curve sperimentali dei tempi di propagazione relativi a ciascun tipo di onda (dromocrone); tale dato, ricavato da almeno tre stazioni sismografiche, è sufficiente per individuare la posizione dell'epicentro.
La forza di un terremoto viene attualmente valutata utilizzando due tipi diversi di scale sismiche:
la scala MCS (Mercalli, Cancani, Sieberg): è una scale empirica: assegna a ogni sisma un grado di intensità variabile da I a XII, sulla base degli effetti che le scosse producono in superficie.
la scala Richter: è una scala quantitativa, basata sulla determinazione della magnitudo di un terremoto, cioè sulla misura dell'ampiezza delle onde sismiche registrata da un sismografo, riferita a un'ampiezza standard di riferimento.
La struttura interna e le caratteristiche fisiche della terra
La terra è suddivisa in tre involucri concentrici: la crosta, il mantello e il nucleo.
La crosta è compresa tra la superficie terrestre e la Moho; può essere di tipo continentale o oceanico e ha un comportamento meccanico di tipo rigido ed elastico.
La crosta continentale ha uno spessore medio di 30-40 km ed è più potente in corrispondenza delle catene montuose; essa è costituita da una sequenza eterogenea di rocce sialiche (SiAl), la cui genesi e composizione sono estremamente variabili.
La crosta oceanica ha invece spessore molto più ridotto, con composizione e struttura regolare, essendo costituita ovunque da tre livelli sovrapposti: sedimenti oceanici, basalti e gabbri.
Il mantello è compreso tra la Moho e la discontinuità di Gutenberg e viene suddiviso, in base a una discontinuità minore presente a 700 km di profondità, in mantello superiore e mantello inferiore.
Il mantello superiore o astenosfera si estende fino alla profondità di 350 km ed è costituita da una fascia di materiali parzialmente fusi, principalmente silicio e magnesio (SiMe) che conferiscono a questa zona un comportamento di tipo plastico.
Il mantello inferiore inizia alla profondità di circa 700 km; mantiene invariata la propria composizione chimica, ma i minerali che lo costituiscono riorganizzano la struttura del proprio reticolo cristallino in risposta alle condizioni fisiche esistenti.
Il nucleo è compreso fra la discontinuità di Gutenberg e il centro della Terra; è costituito prevalentemente da ferro e nichel (NiFe) e viene suddiviso, sulla base della discontinuità di Lehmann, in nucleo esterno, che si comporta come un liquido, e nucleo interno, il cui comportamento viene assimilato a quello di un solido.
Secondo il principio dell'isostasia la crosta è costituita da un insieme di blocchi di spessore variabile alla ricerca della compensazione isostatica, prevista dal principio di Archimede. Ogni variazione della massa dei blocchi crostali (erosione, deposizione, formazione di calotte glaciali) comporta uno spostamento verticale dei blocchi stessi (aggiustamenti isostatici) fino al conseguimento di un nuovo equilibrio.
Lo studio del campo magnetico terrestre ha chiarito che la Terra ha un campo bipolare, generato probabilmente nel nucleo e soggetto a periodiche variazioni. Le variazioni più importanti sono le inversioni, cioè i cambiamenti di polarità del campo.
Quando una roccia, durante la sua formazione, orienta i campi magnetici elementari, associati agli atomi dei propri minerali ferromagnetici, secondo la direzione del campo magnetico terrestre, comportandosi come un ago calamitato e conservando detta orientazione anche in presenza di campi esterni orientati diversamente, si dice che ha acquisito una magnetizzazione permanente. Ciò può accadere per rocce vulcaniche o sedimentarie.
Lo studio della magnetizzazione permanente delle rocce consente di ricostruire la storia del campo magnetico terrestre, sia per quanto riguarda le inversioni di polarità sia per quanto riguarda la presunta variazione nell'orientamento del dipolo magnetico.
Tre teorie per spiegare la morfologia della superficie terrestre
La crosta terrestre non è statica ma dinamica; è cioè soggetta a trasformazioni causate dalle forze endogene ed esogene. Le forze endogene modellano le strutture primarie (oceani, continenti, catene montuose, archi insulari) da cui dipende la morfologia della crosta.
Le prime teorie sulla dinamica della crosta prevedevano la possibilità di movimenti verticali dei blocchi rocciosi (causati dall'isostasia), ma escludevano l'esistenza di movimenti laterali dei continenti e degli oceani.
Tali teorie vennero superate dalla nuova concezione proposta da Wegener con la teoria della deriva dei continenti. Secondo Wegener 200 milioni di anni fa esisteva un unico supercontinente, la Pangea, che si sarebbe in seguito smembrato, circondato da un unico oceano, la Pantalassa. I continenti sarebbero quindi andati alla deriva, spostandosi fino a raggiungere l'attuale posizione, che comunque non sarebbe definitiva.
A sostegno della sua teoria Wegener portò prove:
geomorfologiche: la possibilità di incastro tra le coste africane e la corrispondenza tra le serie stratigrafiche ai due lati dell'Oceano Atlantico;
paleontologiche: l'esistenza di fossili di specie animali e vegetali sorprendentemente simili in località di continenti oggi distanti;
paleoclimatiche: la presenza di depositi glaciali in regioni aride e la presenza in regioni fredde di rocce formatesi in ambienti a clima caldo.
Egli tuttavia non riuscì a individuare le cause della deriva dei continenti, perciò la teoria venne ben presto abbandonata.
Negli anni '60 venne formulata una nuova teoria sulla dinamica della crosta, detta teoria dell'espansione dei fondali oceanici. Secondo tale teoria i fondali oceanici non sono strutture stabili e definitive della crosta:
attraverso le dorsali oceaniche (lunghe fratture che percorrono gli oceani) materiali magmatici risalgono dal mantello, si espandono e solidificano generando nuova crosta oceanica;
in corrispondenza delle fosse oceaniche la crosta più antica si immerge verso l'interno della Terra e a una certa profondità fonde, tornando a far parte del mantello (subduzione).
L'intero processo è guidato dai movimenti convettivi del mantello. Secondo questa teoria i continenti, trascinati passivamente dai moti convettivi, sono strutture permanenti che possono essere modificate solo in corrispondenza dei loro margini
Le prove della subduzione e dell'espansione degli oceani sono numerose. La più importante è rappresentata dallo studio delle anomalie magnetiche sui fondali e nelle rocce di continenti. Le anomalie magnetiche sui fondali oceanici sono disposte come bande con andamento simmetrico rispetto alle dorsali. Ciò dimostra che il pavimento basaltico ai due lati delle dorsali non si è formato tutto contemporaneamente, ma in epoche diverse caratterizzate da polarità magnetica alternativamente simile o contraria rispetto a quella attuale. Le anomalie magnetiche riscontrate nelle rocce continentali hanno invece consentito di dimostrare che i continenti si sono spostati rispetto al momento in cui le rocce sono state dotate di magnetizzazione permanente.
La teoria dell'espansione dei fondali è oggi inglobata in una più ampia teoria, denominata teoria della tettonica a zolle secondo la quale:
la Terra è costituita da un involucro rigido, la litosfera, suddiviso in una ventina di zolle (o placche) di notevoli dimensioni e di spessore variabile (minore sotto gli oceani, maggiore in corrispondenza dei continenti);
le zolle litosferiche galleggiano e si muovono, passivamente, su uno strato plastico, l'astenosfera;
i moti convettivi del mantello (celle convettive) sono il principale motore delle zolle;
i movimenti di deriva generano instabilità lungo i margini delle zolle, dove si localizzano l'attività vulcanica e sismica; mentre le regioni centrali sono generalmente inattive e stabili.
A seconda di come due zolle adiacenti interagiscono fra loro è possibile riconoscere tre tipi di margini:
margini conservativi (in corrispondenza di faglie trascorrenti) quando due zolle scivolano l'una accanto all'altra senza che si verifichi distruzione o costruzione di litosfera;
margini divergenti o costruttivi (in corrispondenza di dorsali oceaniche o rift continentali), quando due zolle si allontanano, nuovo materiale magmatico proveniente dal mantello dà origine a nuova crosta oceanica;
margini convergenti o distruttivi (in corrispondenza di fosse oceaniche o catene montuose), quando due zolle si avvinano scontrandosi.
I punti caldi (hot spot) sono fenomeni vulcanici isolati. Non si trovano ai margini delle zolle ma all'interno. Si ha emissione di lava esclusivamente basaltica (ma con elementi alcalini, a differenza di quella delle dorsali). Sono generate da pennacchi: colonne di materiale magmatico che risalgono dal mantello. La loro posizione non varia nel tempo ma varia quella delle placche e di conseguenza quella dei vulcani. Le isole vulcaniche delle Hawaii sono un esempio di punto caldo.
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