Terra

Terra

Terzo pianeta del sistema solare, in ordine di distanza dal Sole; è l'unico pianeta conosciuto che ospiti forme di vita

Poiché la superficie terrestre presenta curvature diverse, la forma della Terra non è identificabile con quella di un solido geometrico definito. Trascurando i rilievi e le irregolarità superficiali, essa può essere approssimativamente ricondotta a quella di un ellissoide di rotazione, cioè alla ura geometrica che si ottiene facendo ruotare un ellisse intorno al suo asse minore. Calcoli recenti, basati sulle perturbazioni delle orbite di satelliti artificiali, hanno mostrato che la Terra presenta una forma leggermente piriforme: la differenza tra il raggio minimo equatoriale e il raggio polare (distanza tra il centro della Terra e il Polo Nord) è di circa 21 km, inoltre il Polo Nord 'sporge' di circa 10 m, mentre il Polo Sud è depresso di 31 m.

Moto

La posizione della Terra nello spazio non è fissa ma è il risultato di una complessa serie di moti che avvengono con caratteristiche e con periodi differenti. Insieme alla Luna, il nostro pianeta orbita intorno al Sole, a una distanza media di 149.503.000 km e con una velocità media di 29,8 km/s, compiendo una rivoluzione completa in 365 giorni, 6 ore 9 minuti e 10 secondi (anno sidereo); la traiettoria è un'ellisse di piccola eccentricità, pertanto l'orbita è quasi circolare con una lunghezza approssimativamente uguale a 938.900.000 km. Inoltre la Terra è interessata anche da un moto di rotazione intorno a un suo asse, che avviene da occidente a oriente, cioè in senso inverso rispetto all'apparente moto del Sole e della sfera celeste, e si svolge con un periodo di 23 ore, 56 minuti e 4,1 secondi (giorno sidereo).

La Terra segue il moto dell'intero sistema solare e si muove nello spazio a una velocità di circa 20,1 km/s nella direzione della costellazione di Ercole; inoltre partecipa al moto di recessione della galassia e insieme alla Via Lattea si sposta verso la costellazione del Leone

Oltre a questi movimenti principali, ve ne sono altri secondari, tra i quali la precessione degli equinozi (vedi Eclittica) e le nutazioni. Queste ultime consistono in una variazione periodica dell'inclinazione dell'asse terrestre, dovuta all'attrazione gravitazionale del Sole e della Luna.

Composizione

La Terra può essere divisa in cinque parti: l'atmosfera, gassosa; l'idrosfera, liquida; la litosfera, il mantello e il nucleo, in gran parte solidi. L'atmosfera è il guscio gassoso che circonda il corpo solido del pianeta: benché abbia uno spessore di oltre 1100 km, circa la metà della sua massa è concentrata nei primi 5,6 km. L'idrosfera è lo strato d'acqua che, sotto forma di oceani, copre approssimativamente il 70,8% della superficie del globo. La litosfera, che consiste principalmente della fredda e rocciosa crosta terrestre, si estende fino a una profondità di 100 km. Il mantello e il nucleo costituiscono l'interno del nostro pianeta, e in essi è concentrata la maggior parte della massa.

L'idrosfera comprende gli oceani ma anche i mari interni, i laghi, i fiumi e le acque sotterranee. Gli oceani hanno profondità media di di 3794 m, circa cinque volte l'altezza media dei continenti, e massa approssimativamente uguale a 1.350.000.000.000.000.000 (1,35 × 10 ) tonnellate, cioè circa 1/4400 della massa totale della Terra.

Le rocce della litosfera hanno densità media 2,7 volte maggiore rispetto a quella dell'acqua e sono quasi interamente costituite da undici elementi, che complessivamente rappresentano circa il 99,5% della loro massa. Il più abbondante di essi è l'ossigeno (che rappresenta circa il 46,60% del totale), seguito da silicio (circa il 27,72%), alluminio (8,13%), ferro (5,0%), calcio (3,63%), sodio (2,83%), potassio (2,59%), magnesio (2,09%), titanio, idrogeno e fosforo (complessivamente in quantità minori dell'1%). Inoltre sono presenti tracce di altri elementi quali carbonio, manganese, zolfo, bario, cloro, cromo, fluoro, zirconio, nichel, stronzio e vanadio. Queste sostanze si trovano nella litosfera sotto forma di composti chimici e difficilmente si rinvengono allo stato elementare.

La litosfera comprende due gusci, la crosta e il mantello superiore, che sono divisi in una struttura a placche tettoniche delimitate da margini costruttivi, dove si ha formazione di nuovo materiale litosferico, distruttivi, dove si manifestano processi di subduzione (dorsali oceaniche) o conservativi, caratterizzati da faglie trasformi lungo le quali si ha scorrimento tra stati di litosfera adiacenti; alcune zolle sono delimitate da una combinazione dei tre tipi di margini.

Esistono due tipi di crosta, che differiscono sia per la natura e la struttura delle rocce che li costituiscono, sia per l'età, sia per il livello medio della loro superficie. La crosta continentale comprende la piattaforma continentale e parte dell'adiacente scarpata continentale ed è composta da rocce magmatiche, metamorfiche e sedimentarie di composizione chimica media simile a quella del granito e di età estremamente variabile: le rocce più antiche, formatesi circa 4 miliardi di anni fa, sono affiancate a rocce molto giovani. La crosta oceanica costituisce invece la base dei bacini oceanici e presenta una struttura a strati molto regolare: sotto uno strato di sedimenti di spessore relativamente ridotto si trova uno strato di rocce basaltiche (vedi Basalto), seguìto a maggiori profondità da uno strato di gabbro. L'età di queste rocce non è maggiore di 190 milioni di anni.

Il livello medio della superficie della crosta continentale supera di oltre 4000 metri quello della crosta oceanica, benché i rilievi e le depressioni oceaniche costituiscano solo una piccola percentuale delle terre emerse e dei fondi oceanici. Secondo una classificazione dovuta al geologo tedesco A. Wegener e ora quasi completamente abbandonata, la crosta terrestre è costituita da una piattaforma superiore di sial (dalle iniziali di silicio e alluminio), costituita da rocce a composizione granitica, che 'galleggia' su uno strato denso di sima (da silicio e magnesio), formato essenzialmente da basalti. Secondo questa teoria le rocce sialiche costituiscono i continenti mentre quelle simatiche affiorano sui fondi oceanici.

Il mantello superiore è separato dalla crosta soprastante da una discontinuità sismica, detta Moho, e dal mantello inferiore da una zona più plastica, nota come astenosfera. Il mantello superiore, scivolando lateralmente sulle rocce parzialmente fuse dell'astenosfera, spessa 100 km, permette la deriva dei continenti e l'espansione dei fondi oceanici.

Il mantello si estende dalla base della crosta fino a una profondità di circa 2900 km. Eccettuate alcune zone, come l'astenosfera, è solido e la sua densità aumenta con la profondità, variando tra 3,3 e 6. Il mantello superiore è composto da silicati di ferro e magnesio, ed è rappresentato significativamente dal minerale olivina; la parte inferiore consiste, probabilmente, di un miscuglio di ossidi di magnesio, silicio e ferro organizzati in strutture cristalline capaci di sopportare condizioni di temperatura e pressione elevate.

La transizione tra il mantello e il nucleo è segnata da una superficie di discontinuità sismica, nota come discontinuità di Gutenberg. Gli studi sismologici mostrano che il nucleo ha un guscio esterno costituito da materia fluida, spesso circa 2225 km, con densità media 10. I risultati delle ricerche evidenziano che la sua superficie esterna ha depressioni e picchi che si formano probabilmente dove il materiale caldo sale verso l'alto. Al contrario, il nucleo interno, che ha un raggio di circa 1275 km, è solido. Si pensa che entrambi gli strati del nucleo siano composti di ferro, con una piccola percentuale di nichel e di altri elementi. La temperatura nel nucleo interno è valutata in circa 6650 °C e la densità media è stimata intorno a 13.

Flusso interno del calore

L'intenso calore che proviene dal nucleo viene continuamente irradiato verso l'esterno, attraverso i vari gusci concentrici che formano la parte solida del pianeta. La fonte di questo calore è probabilmente nel decadimento degli isotopi radioattivi di elementi come l'uranio, presenti negli strati rocciosi del nostro pianeta. Le correnti convettive che si generano nel mantello sono responsabili della deriva dei continenti e forniscono sia rocce calde e fuse al sistema mondiale delle dorsali oceaniche (vedi Oceani e Oceanografia) sia lava, che fuoriesce dai vulcani sulla terraferma.

Età e origine della Terra

I metodi di datazione basati sullo studio dei radioisotopi hanno consentito agli scienziati di stimare l'età della Terra in 4,65 miliardi di anni (vedi Metodi di datazione). Benché le più vecchie rocce terrestri datate in questo modo non raggiungano i 4 miliardi di anni, alcune meteoriti, che sono simili geologicamente al nucleo del nostro pianeta, risalgono a circa 4,5 miliardi di anni fa e si ritiene che la loro cristallizzazione sia avvenuta approssimativamente 150 milioni di anni dopo la formazione della Terra e del sistema solare.

Il nostro pianeta, dopo essersi originato dalla condensazione delle polveri e dei gas cosmici per effetto della gravità, era probabilmente un corpo quasi omogeneo e relativamente freddo, ma la continua contrazione del materiale produsse un riscaldamento, al quale contribuì senza dubbio la radioattività di alcuni elementi chimici. Nella fase successiva della formazione, l'aumento di temperatura determinò un processo di parziale fusione del pianeta, provocando la differenziazione in crosta, mantello e nucleo: i silicati, più leggeri, si portarono verso l'alto, formando il mantello e la crosta, mentre gli elementi pesanti, soprattutto ferro e nichel, sprofondarono verso il centro formando il nucleo del pianeta. Contemporaneamente, a causa delle eruzioni vulcaniche, gas leggeri venivano immessi di continuo dal mantello e dalla crosta. Alcuni di questi gas, principalmente anidride carbonica e azoto, vennero trattenuti dalla Terra, per effetto della gravità, formando l'atmosfera primordiale, mentre il vapore acqueo condensò dando origine ai primi oceani.

Magnetismo della Terra

La Terra nel suo insieme si comporta come un enorme magnete. Il campo magnetico terrestre può essere descritto in modo semplice pensando di porre al centro del pianeta una calamita a barra, il cui asse sia inclinato di circa 11° rispetto all'asse di rotazione terrestre. Benché gli effetti del geomagnetismo fossero utilizzati già da molto tempo nelle bussole più antiche, i primi studi scientifici su questa proprietà del nostro pianeta vennero compiuti intorno al 1600 dal fisico e filosofo britannico William Gilbert

Poli magnetici

I poli magnetici della Terra non coincidono con quelli geografici: il Polo Nord magnetico attualmente si trova al largo delle coste occidentali delle isole Bathurst, nei Territori del Nord-Ovest canadesi, quasi 1290 km a nord-ovest della baia di Hudson. Il Polo Sud magnetico si trova invece sul bordo del continente antartico, nella zona di Adélie Land, circa 1930 km a nord-est di Little America.

Le posizioni dei poli magnetici non sono fisse ma si spostano in modo apprezzabile da un anno al successivo. Le variazioni del campo magnetico terrestre comprendono una variazione secolare periodica, che produce cambiamenti di direzione del campo stesso e si ripete ogni 960 anni circa, e una variazione di minore entità, che produce effetti giornalieri rilevabili solo con strumenti molto sensibili.

Teoria della dinamo

Le misure della variazione secolare mostrano che il campo magnetico complessivo tende a spostarsi verso occidente a una velocità compresa tra i 19 e i 24 km all'anno. Chiaramente il magnetismo della Terra è il prodotto di una situazione dinamica che può essere spiegata supponendo che il nucleo esterno di ferro sia liquido (eccetto che al centro, dove l'enorme pressione determinerebbe la transizione allo stato solido) e che le correnti convettive all'interno di esso si comportino come le spire di una dinamo, generando un intenso campo magnetico. La parte interna, solida, del nucleo ruoterebbe più lentamente della parte esterna, spiegando lo spostamento secolare verso ovest. La superficie irregolare del nucleo esterno spiegherebbe poi alcune delle altre variazioni minori del campo magnetico.

Intensità del campo

Lo studio dell'intensità del campo magnetico terrestre è importante per la localizzazione delle risorse minerarie. Le misure di intensità si effettuano con strumenti detti magnetometri, che possono determinare l'intensità totale del campo e anche quella delle componenti orizzontale e verticale. Le misure mostrano che l'intensità del campo è diversa in luoghi differenti della superficie terrestre; nelle zone temperate, essa è di circa 48 A/m.

Paleomagnetismo

Gli studi delle antiche rocce vulcaniche permettono di trarre informazioni sulle condizioni del campo magnetico terrestre nelle ere geologiche passate. Tali rocce, infatti, durante il processo di raffreddamento conservano una magnetizzazione propria, indotta dal campo magnetico locale presente al momento della loro formazione, e quindi contengono tracce del magnetismo del passato. Le misure in diversi luoghi della Terra evidenziano che l'orientamento del campo nelle varie ere geologiche mutò rispetto ai continenti, benché si supponga che perfino l'inclinazione dell'asse di rotazione terrestre sia rimasta la stessa. Il Polo Nord magnetico, ad esempio, 500 milioni di anni fa era situato a sud delle isole Hawaii, e per i successivi 300 milioni di anni l'equatore magnetico si trovò a passare per gli Stati Uniti. Questa migrazione dei poli magnetici costituisce una delle prove della validità della teoria della deriva dei continenti.

Inversioni del campo

Studi recenti del magnetismo residuo nelle rocce e delle anomalie magnetiche dei fondi oceanici dimostrano che negli ultimi 100 milioni di anni si verificarono almeno 170 inversioni di polarità del campo magnetico terrestre. La conoscenza di queste inversioni, che possono essere datate per mezzo degli isotopi radioattivi contenuti nelle rocce, ha una grossa influenza sulle teorie della deriva dei continenti e dell'espansione dei fondi oceanici.

Elettricità terrestre

Sulla Terra e nell'atmosfera si manifestano fenomeni di natura elettrica, prodotti da processi geofisici naturali.

L'elettricità atmosferica, eccetto quella associata alle cariche nelle nubi che genera i fulmini, deriva dalla ionizzazione prodotta dalla radiazione solare e dal movimento di nubi di ioni trasportate dalle maree atmosferiche; queste ultime sono prodotte come le maree marine dall'attrazione gravitazionale del Sole e della Luna sull'atmosfera della Terra (vedi Gravitazione), e si manifestano ogni giorno. La ionizzazione, e di conseguenza la conduttività elettrica, dell'atmosfera vicino alla superficie terrestre è bassa, ma aumenta rapidamente con l'altitudine: tra i 40 e i 400 km la ionosfera forma un guscio sferico quasi perfettamente conduttore che riflette le onde radio permettendone la trasmissione a lunga distanza. La ionizzazione dell'atmosfera varia molto anche con l'ora del giorno e con la latitudine.

Correnti terrestri

Le correnti terrestri costituiscono un sistema di otto linee chiuse di correnti elettriche distribuite in entrambi gli emisferi e una serie di linee più piccole vicino ai poli. Benché si ritenga che questo sistema sia interamente indotto dai cambiamenti quotidiani dell'elettricità atmosferica (ciò è verosimilmente corretto per le variazioni a breve termine), è probabile che la sua origine sia più complessa. È possibile che il nucleo della Terra, costituito da ferro e nichel fusi, sia elettricamente conduttore e si comporti come le armature di un enorme generatore elettrico. Si ritiene, infatti, che le correnti termiche di conone presenti nel nucleo muovano il metallo fuso su cammini chiusi, che seguono le linee del campo magnetico, e si manifestino nel sistema di correnti elettriche terrestri.

La carica superficiale della Terra

La superficie terrestre ha una carica elettrica negativa. Poiché la conduttività dell'aria nei pressi del suolo è bassa ma non nulla (cioè l'aria non è un perfetto isolante), la carica elettrica si esaurirebbe molto rapidamente se non fosse in qualche modo alimentata continuativamente; deve pertanto esistere un meccanismo di trasporto di elettricità

Le misurazioni condotte con tempo sereno mostrano un flusso di elettricità positiva che si muove verso il basso, dall'atmosfera al suolo; la causa di questo meccanismo è l'attrazione elettrica tra la carica negativa della Terra e gli ioni positivi dell'atmosfera.

Sebbene sia stato suggerito che questo flusso verso il basso sia bilanciato da correnti dirette verso l'alto che si sviluppano nelle regioni polari, l'ipotesi che attualmente riscuote i maggiori consensi è quella secondo cui questo flusso positivo verso il basso che si nota con tempo sereno sarebbe bilanciato da fenomeni di trasporto elettrico che si manifestano durante i temporali. Esistono prove che la carica negativa venga trasferita verso il suolo dalle nubi temporalesche; inoltre, il tasso al quale i temporali sviluppano energia elettrica è sufficiente a rifornire la carica sulla superficie e, infine, la frequenza dei temporali sembra essere maggiore nelle ore della giornata in cui la carica negativa della Terra aumenta più rapidamente.