Esiste all’interno della Terra un motore di dimensioni planetarie, dove forze incredibili mettono in moto i continenti e danno vita ai fenomeni più distruttivi del pianeta: i vulcani e i terremoti. Nonostante la potenza in gioco, il principio di funzionamento di questa macchina è lo stesso che governa un comune termosifone: la convezione. Ma possono le rocce muoversi come l'acqua dentro all'impianto di riscladamento? e funziona proprio come un termosifone?
INDICE
In questo articolo
Altri articoli su questo argomento
I - La Terra dinamica in 10 immagini
II - I moti convettivi del mantello
III - Dorsali e fosse oceaniche
IV - Tettonica delle placche: Come funziona?
V - L'orogenesi
Approfondimenti
1. Il motore interno
L'effetto del terremoto del 1885 a Bussana Vecchia (IM) a sinistra, il vulcano Stromboli a destra - Foto M.Pregliasco
I vulcani sono una chiara manifestazione del calore della Terra. Pochi sanno che anche i terremoti sono una conseguenza dell’energia termica interna, il motore capace di metterne letteralmente in moto la superficie terrestre e di creare manifestazioni talvolta devastanti. La dinamica profonda del pianeta è il risultato di un fenomeno fisico di grande importanza: la convezione, osservabile in un comune termosifone.
2. Come un termosifone
E’ la convezione, il fenomeno fisico, che permette al motore interno della Terra di muovere le rocce all’interno del pianeta. E’ qualcosa che, su scala molto più piccola, fa il nostro termosifone con l’aria contenuta all’interno della stanza. Il termosifone è molto più caldo rispetto all’ambiente che lo circonda. L’aria a contatto del calorifero si scalda e, divenuta meno densa e più “leggera”, sale verso l’alto, richiamando verso il basso l’aria fredda dell’ambiente, più densa e “pesante”. S’innesca un movimento circolare di aria calda – aria fredda chiamata cella convettiva.
La stessa cosa avviene nelle rocce all’interno della Terra, perché tra la superficie e l’interno del pianeta c’è una grande differenza di temperatura (alcune migliaia di gradi).
Per scambiare il calore tra il sopra molto freddo e il sotto molto caldo le rocce si spostano: ciò che è caldo, perciò leggero, sale; mentre ciò che è freddo, più denso e pesante, scende. Risalendo in superficie, le rocce calde si raffreddano e, aumentando la loro densità, sprofondano nuovamente all’interno del pianeta dove, riscaldandosi nuovamente, alimentano il moto delle celle convettive. Ecco che così, nelle rocce all’interno della Terra, il fenomeno fisico della convezione muove ingentissime masse di materiali e produce notevoli fenomeni geologici sulla superficie.
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- - 8/12/2013 M.Pregliasco
3. Dove si trova il motore?
Image credit: JohanSwan / 123RF Archivio Fotografico - Modificato da M.Pregliasco
Noi viviamo sulla crosta terrestre, lo strato più esterno del pianeta, spesso appena dai 5 ai 35Km.
Sotto di essa, i geofisici hanno individuato il motore interno della Terra, situato nel mantello, un guscio spesso 2970Km, che arriva fino al nucleo esterno del pianeta.
Nel mantello le rocce non sono immobili, ma si spostano soggette alla convezione, un fenomeno che ha importanti ripercussioni sulla crosta terrestre, modificandone profondamente l’aspetto della superficie e, attraverso il calore rilasciato dai moti convettivi, contribuisce a riscaldarla.
La convezione del mantello è responsabile della frantumazione della litosfera (l’involucro esterno rigido della Terra composta dalla crosta e da una piccola porzione di mantello) in placche tettoniche, e della conseguente deriva dei continenti, che oggi è chiamata, più correttamente, teoria della tettonica delle placche.
4. L'origine del calore della Terra
Questa immagina proviene da Arthursclipart.org - Modificato da M.Pregliasco
Scendendo nelle profondità della crosta il calore aumenta, approssimativamente di 2-3 °C ogni 100 metri di profondità (gradiente geotermico). Se quest’andamento si mantenesse costante il centro della Terra avrebbe una temperatura di 190.000 °C, il ché comporterebbe la totale fusione del pianeta.
Fortunatamente per noi, la temperatura interna della Terra segue una curva chiamata geoterma, per la quale si mantiene, per lo più, al di sotto della temperatura di fusione delle rocce. Ciò non toglie che la terra è calda, ed è tanto più calda quanto ci avviciniamo al suo nucleo. Ma da dove arriva tutto questo calore?
Gran parte del calore della Terra (circa il 40%) deriva dal decadimento degli isotopi radioattivi (uranio, torio e potassio) presenti nelle rocce.
Il resto è da attribuire al calore primordiale, generato 4.550 milioni di anni fa, quando si formò il nostro pianeta e giunto fino ai nostri giorni in gran parte.
5. Pressione, temperatura e uova sode
Image credit: JohanSwan / 123RF Archivio Fotografico - Modificato da M.Pregliasco
Come può essere che le rocce a temperature superiori a 1000°C, e anche più, siano solide? Con tutto quel calore l’interno della Terra non dovrebbe essere completamente fuso?
Il passaggio di stato (solido, liquido, aeriforme) non è solo questione di temperatura, ma è anche legato alla pressione, proprio come la difficoltà di far cuocere un uovo sul Monte Bianco: a 5000 metri di altezza, la pressione è nettamente ridotta rispetto al livello del mare, ragione per la quale l’acqua bolle prima, a 70 gradi. Al contrario, aumentando la pressione, i materiali fondono a temperatura più alta.
Ora immaginate di reggere miliardi di tonnellate di roccia sopra la vostra testa: non sentireste una certa “pressione” sopra di voi? Ed è proprio quello che succede ai materiali man mano che si procede verso il centro della Terra: la temperatura aumenta ma aumenta il peso delle rocce sovrastanti (carico litostatico) e quindi la pressione.
Ed è questo il motivo per cui le rocce possono rimanere solide a grandi temperature (ad eccezione del nucleo esterno nel quale la temperatura supera comunque la capacità della pressione di tenerlo solido).
Gli scienziati confrontando il grafico delle temperature, delle pressioni e formulando ipotesi sulla composizione chimica del pianeta sono riusciti a ricostruire l’interno del pianeta Terra.
6. I moti convettivi nel mantello:
sono possibili ?
La convenzione è un fenomeno causato da differenze di temperatura e densità in un fluido, per il quale correnti calde di materiale salgono verso quelle più fredde, mentre quelle fredde ridiscendono, instaurando movimenti circolari chiamati celle convettive (vedi “i moti convettivi” per saperne di più).
Perché si possa instaurare la convezione è necessario che nel mantello via sia una differenza di temperatura tra la superficie e la zona più profonda (differenza stimata nell’ordine di 2500 °C) e che il materiale sia liquido, cosa improbabile vista l’altissima pressione all’interno del pianeta che impedisce alle rocce di fondere.
Perciò ci si chiede: è possibile avere moti convettivi nel rigido materiale roccioso che impedirebbe alle sue parti di muoversi?
Una pallina di piombo alla quale è stata applicata una pressione di 1kg per alcuni giorni su una candela di cera - foto M.Pregliasco
La cera è un ottimo esempio di come certi materiali solidi si comportino come un fluido molto viscoso se sollecitato in tempi abbastanza lunghi. Se lasciamo cadere un peso sopra ad una candela esso rimbalzerà venendo bruscamente a contatto con un corpo rigido. Ma se lasciamo agire il peso sulla cera per un tempo sufficientemente lungo (ore o giorni) esso penetrerà in profondità come se fosse immerso in un liquido. Anche le rocce del mantello rispondono in modo rigido alle sollecitazioni di breve durata (quali le scosse di terremoto), ma diventano plastiche quando soggette a sforzi molto prolungati nel tempo, nell’ordine dei milioni di anni, in condizioni di alta pressione e temperatura che consentono l’instaurarsi dei moti convettivi.
7. La circolazione nel mantello
da wikipedia - modificato da M.Pregliasco
Le rocce del mantello terrestre sono rimescolate continuamente secondo le leggi della convezione: il materiale più caldo risale verso la superficie dove, cedendo calore all’atmosfera, si raffredda diventando denso e pesante per ridiscendere negli strati più caldi del pianeta e ricominciare il ciclo. S’instaurano i movimenti circolari delle celle convettive.
Nel modello a circolazione convettiva unica, la cella convettiva si sviluppa per tutta la profondità del mantello e il materiale riciclato giunge fino al contatto con il nucleo esterno (v. lato destro della figura).
Tuttavia alcuni scienziati sostengono che il mantello si possa dividere in due strati: uno superiore e uno inferiore, ognuno dei quali è interessato da un proprio sistema di celle convettive. Questa ipotesi è chiamata circolazione convettiva a strati (v. lato sinistro della figura).
8. La tettonica delle placche
da wikipedia - modificato da M.Pregliasco
Il primo effetto, molto importante, è sicuramente la tettonica delle placche, che fa muovere le zolle continentali. La convezione non solo fa muovere le placche sulla superficie, ma, riesce a farle letteralmente affondare all’interno del mantello terrestre.
Conseguenza della tettonica delle placche sono i terremoti che si scatenano sulla superficie rigida della litosfera.
Moti convettivi e tettonica delle placche sono i responsabili di un altro effetto dirompente sulla superficie terrestre: i vulcani.
Per saperne di più crf. La tettonica delle placche: come funziona?
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