IL GRADIENTE GEOTERMICO E IL GRADO GEOTERMICO - IL FLUSSO DI CALORE, L'ORIGINE DEL CALORE INTERNO DELLA TERRA, FLUSSO DI CALORE NEI CONTINENTI, FLUSSO

IL GRADIENTE GEOTERMICO E IL GRADO GEOTERMICO

Il gradiente geotermico è l'aumento della temperatura, espressa in gradi centigradi, ogni 100 metri di profondità. Il gradiente geotermico è in media 2-3 °C/100 metri, ma può variare anche notevolmente da località a località.

L'incremento di temperatura che si ha scendendo nelle miniere d'oro del Transvaal è però così piccolo che le gallerie possono arrivare fino a 3000 metri.

Le anomalie del gradiente geotermico sono indipendenti dal calore terrestre generale e vanno messe in relazione con fenomeni geologici locali, quali la vicinanza di magmi o il processo di ossidazione di minerali presenti nel sottosuolo.

Il grado geotermico è il numero di metri che bisogna scendere al di sotto della superficie terrestre per avere l'aumento di 1°C. Il grado geotermico è in media circa di 39 m.

Le temperature delle zone più profonde della terra che si ottengono estrapolando il gradiente geotermico non sono molto attendibili: 70000 °C alla base del mantello, 160000 °C al centro della terra. Uno stato termico del genere provocherebbe una fusione quasi totale della terra.

Dalla sismologia sappiamo che le vibrazioni elastiche trasversali, possibili solo nei solidi, si proano attraverso tutto il mantello; esso pertanto deve trovarsi allo stato solido. Ne consegue che la temperatura del mantello non può superare il punto di fusione del materiale che lo compone, tenendo conto anche della pressione alla profondità considerata.

In prossimità della discontinuità di Gutenberg il mantello è allo stato solido, si può affermare che la temperatura a quella profondità non supera certamente i 5500 °C.

La geoterma è la curva che rappresenta la distribuzione della temperatura interna della terra in funzione della profondità. L'andamento della geoterma è ricavato essenzialmente da considerazioni termodinamiche e dai dati sismologici.

IL FLUSSO DI CALORE

La quantità di energia termica che sfugge dalla terra per unità di area e di tempo costituisce il flusso di calore. L'unità di misura del flusso di calore e l'HFU, equivalente a 1mcal/ ( cm*cm * sec ).

Il flusso di calore si determina moltiplicando il gradiente geotermico per la conducibilità termica locale. Usualmente quest'ultima è misurata in laboratorio su campioni di roccia presi nel luogo in cui si eseguono le osservazioni.

Sulle terre emerse, la cui superficie può essere soggetta a forti sbalzi di temperatura sia giornalieri che stagionali, occorrono pozzi assai profondi perché siano eliminati tali effetti.

Tecnicamente è molto più facile eseguire misurazioni accurate del flusso di calore sui fondali oceanici. L'acqua dei mari protegge da influenze climatiche esterne il fondo, il quale, nella maggioranza dei casi, è costituito da sedimento molle e sciolto. Le misurazioni consistono perciò nel fare penetrare, per semplice caduta gravitativa, un pistone, detto carotiere, nel fondo molle per una profondità di 4-8 m. Per mezzo di elementi termosensibili collocati lungo il pistone possono essere registrate piccolissime differenze di temperatura e nel contempo si può raccogliere un campione di sedimento, la cosiddetta carota.

L'ORIGINE DEL CALORE INTERNO DELLA TERRA

L'origine del calore interno è duplice. Una certa quantità è primordiale e fossile, nel senso che è ciò che rimane dell'energia immagazzinata nel pianeta all'atto della sua nascita.

La terra al momento della sua formazione dovrebbe aver avuto una temperatura dell'ordine di 1000 °C. Questa temperatura sarebbe poi aumentata in seguito alle emissioni di radiazioni da parte degli elementi radioattivi presenti nel pianeta, fino a determinare la fusione dei metalli, in particolare del ferro.

Lo spostamento di grandi quantità di ferro verso il centro della terra avrebbe determinato la liberazione di enormi quantità di energia gravitazionale sottoforma di calore, con un ulteriore aumento di temperatura. Il materiale fuso si riorganizzò poi per strati, facendo assumere alla terra l'attuale struttura interna costituita da nucleo, mantello e crosta.

L'altra fonte del calore interno è la radioattività naturale delle rocce. I metalli radioattivi sono relativamente abbondanti nei materiali della crosta. I nuclei di questi elementi emettono spontaneamente e costantemente radiazioni ad alta energia, che producono calore. Gli elementi i cui isotopi radioattivi contribuiscono maggiormente alla produzione di calore sono l'uranio, il torio e il potassio.

Gli isotopi radioattivi sono particolarmente abbondanti nella crosta, tanto che questa da sola produce il 40% del flusso di calore osservato in superficie.

Le rocce che contengono la maggior quantità di elementi radioattivi sono quelle magmatiche felsiche, in particolare graniti e rioliti.

Il decadimento degli isotopi radioattivi determina la loro trasformazione in isotopi stabili. La produzione di calore del decadimento è quindi destinata ad avere termine.

FLUSSO DI CALORE NEI CONTINENTI

Nella crosta continentale superiore vi è in prevalenza granito, la roccia " più calda " dal punto di vista radioattivo. Parte del calore che fluisce attraverso i continenti si origina nel livello granitico, ma non tutto.

Nelle regioni geologicamente giovani e attive il flusso di calore è mediamente doppio rispetto a quello delle aree vecchie e stabili. Nelle prime a 40 Km di profondità la temperatura è quasi 1000 °C, vicina al punto di fusione delle rocce della crosta profonda o del mantello.

Sotto le regioni stabili, invece, a 40 Km la temperatura è soltanto di 500 ° C.

In ciascuna regione le rocce altamente radioattive, che si trovano nella parte superiore della crosta, sono responsabili del 30-40% del flusso di calore totale; il resto proviene dal mantello.

FLUSSO DI CALORE NEGLI OCEANI

I valori del flusso di calore oceanico mostrano una caratteristica e ben definita distribuzione. Lungo le fasce rilevate di fondale che corrono all'incirca al centro dell'oceano, note come dorsali oceaniche, il flusso è maggiore di 2HFU; negli adiacenti bacini all'incirca 1,3 HFU mentre è inferiore a 1 HFU nelle fosse, le zone più profonde, situate spesso ai margini degli oceani.

Recentemente si è scoperto che in corrispondenza delle dorsali medio-oceaniche esiste una considerevole circolazione idrotermale; le fredde acque oceaniche possono penetrare fino a profondità di 10 Km, estrarre calore e ritornare sul fondo dell'oceano come calde acque termali, ricche di minerali in soluzione, lisciviati dal sottostante mantello.

I fondi oceanici e la sottostante litosfera sono costituiti da rocce, come basalti e peridotiti, relativamente povere di minerali radioattivi.

Ma le varie misurazioni hanno mostrato che i due flussi, continentale e oceanico, sono pressappoco uguali.

TRASFERIMENTO DI CALORE

Il flusso di calore che registriamo sulla superficie terrestre è un'ovvia conseguenza del fatto che, per ristabilire l'equilibrio termico in un corpo, il calore si sposta da zone ad alta temperatura a zone a bassa temperatura.

In un solido l'energia termica proviene dalla vibrazione degli atomi e l'intensità delle vibrazioni determina la temperatura.

Quando il moto vibratorio si trasmette da una zona calda a una fredda, si dice che il calore è trasferito per conduzione.

La quantità di calore condotta tra due punti è proporzionale alla differenza di temperatura esistente tra questi due punti e alla conducibilità termica del materiale.

Un secondo modo di trasmettere il calore è per radiazione. Ogni corpo emette radiazioni elettromagnetiche la cui frequenza è proporzionale alla temperatura del corpo. Quando un corpo è portato all'incandescenza, emette radiazioni che ricadono principalmente nello spettro del visibile e nell'infrarosso.

Esiste però un altro meccanismo di trasferimento del calore tipico dei fluidi: la conone.

La conone, è dovuta dal fatto che se riscaldiamo un fluido esso di espande divenendo meno denso, quindi più leggero del materiale circostante. Il fluido riscaldato tende a salire mentre il materiale più freddo e più pesante scende a prenderne il posto. Si instaura così un ciclo convettivo e si forma una cella convettiva.

La conone è facilitata da un alto coefficiente di espansione termica.

Risulta invece inibita dalle viscosità e da un'elevata conducibilità termica che rende meno necessaria la conone e più facile il trasferimento di calore per conduzione.

CORRENTI CONVETTIVE NEL MANTELLO

Alle sollecitazioni di breve periodo, il mantello terrestre risponde come un corpo rigido ed elastico. Le rocce del mantello si deformerebbero plasticamente, comportandosi come una sostanza estremamente viscosa.

La possibilità di correnti convettive nel mantello è stata a lungo discussa nella prima metà di questo secolo. Già nel 1929, il grande geologo inglese Arthur Holmes aveva proposto la conone come un possibile meccanismo della deriva continentale. Tale meccanismo è stato confermato soltanto agli inizi degli anni 60, mediante la documentazione certa dell'espansione oceanica.

Secondo una diffusa teoria, la conone interesserebbe solo la parte più esterna del mantello in corrispondenza dell'astenosfera, fino a profondità di 300 Km circa. È anche possibile che il trasporto convettivo del calore non operi in continuità, ma sia ripetitivo e si inneschi quando la temperatura interna sale oltre un valore critico.

L'ENERGIA GEOTERMICA

Le aree dove il flusso di calore è elevato sono interessate da fenomeni sismici e vulcanici. Inoltre in queste aree sono diffuse sorgenti termali ed emanazioni di gas e vapore acqueo, chiamati a seconda della temperatura fumarole, soffioli o geyser. L'energia ricavata dal calore interno della terra prende il nome di energia geotermica. Quella geotermica è una fonte di energia alternativa che si presenta come una delle più promettenti per il futuro, perché è rinnovabile, pulita, sicura e più costosa.