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SCIENZE
I MATERIALI DELLA CROSTA TERRESTRE
Esistono due tipi di reazioni che avvengono tra due elementi diversi: la fusione e la fissione.
La fusione è quella che avviene all’interno del nucleo delle stelle, dove 4 atomi di idrogeno si fondono per dare un atomo di elio, cioè da atomi piccoli si ricavano atomi più grossi.
Elio formato avrà massa inferiore rispetto a quelle dei 4 idrogeni sommati, questo perché la massa cosiddetta mancante si trasforma in energia seguendo la legge E=mc2.
Il Sole è una stella non molto grossa, r=700000 Km (quello della Terra è 6381 Km).
La sua zona più interna è il nucleo e qui avvengono le reazioni di fusione. La temperatura e la pressione sono così elevate che si ha una degenerazione della materia, che diventa un fluido elettronico.
La pressione elevata serve a disgregare gli atomi, mentre la temperatura aumenta l’energia cinetica delle particelle , favorendo le reazioni.
L’energia generata dalla fusione si sposta verso la superficie della stella in due modi: o per radiazione o attraverso moti convettivi. A causa di questi ultimi la superficie del Sole sembra ribollire.
L’energia serve a controbilanciare la forza gravitazionale, che farebbe collassare la stella.
Una parte di energia viene ceduta allo spazio sotto forma di radiazioni elettromagnetiche.
Nella fissione invece si utilizza un atomo grosso (radioisotopi dell’uranio) che tende a rompersi dando origine a due atomi più piccoli, liberando radioattività.
E’ più energetica la fusione e per di più non lascia scorie, ma è sconveniente perché è difficile riprodurre le condizioni di pressione e temperatura necessarie.
La Terra è un pianeta e come tale ha una massa modesta e non ha reazioni di fusione all’interno del nucleo perché non raggiunge la temperatura necessaria (107 °K).
Nonostante non si formi energia anche i pianeti sono luminosi perché riflettono la luce delle stelle vicine.
Il Sistema solare è formato da: il Sole, 9 pianeti, pianetini, comete...
I pianeti si distinguono in due famiglie:
La Terra è costituita da tre strati principali: crosta, mantello, nucleo.
Conosciamo la crosta terrestre direttamente per i primi 12 Km, grazie alle trivellazioni per la ricerca di idrocarburi e indirettamente grazie alla sismologia e agli studi sulla densità media della Terra.
La sismologia si occupa dei terremoti che avvengono quando da un punto della Terra, ipocentro, si libera energia che si propaga sotto forma di onde sismiche fino alla superficie della Terra in modo diverso in base ai materiali presenti in stati fisici differenti. Le onde vengono registrate attraverso i sismografi e in base al loro andamento si può stabilire se attraversano corpi fluidi o solidi, dandoci informazioni indirette sulla conformazione di zone della crosta e del mantello.
Gli studi sulla densità media della Terra ci danno informazioni sui materiali presenti in altri strati, perché calcolata la densità della terra intorno ai 5.5 g/cm3 e quella della crosta dai 2,7 ai 3,3 g/cm3, si capisce che il nucleo avrà una densità elevata e per questo si prevede che sia formato di metallo.
La CROSTA è la parte più esterna, piuttosto sottile, costituita da materiale allo stato solido, rocce.
Può essere di due tipi:
oceanica: quella dei fondali oceanici, di circa 5-6 Km, più omogenea, costituita da rocce magmatiche, di formazione piuttosto giovane;
continentale: con uno spessore di qualche decina di Km in corrispondenza delle zone montuose, eterogeneo, costituite da tutti i tipi di roccia e di formazione antica.
La crosta appoggia sul mantello e forma con la parte superiore di questa la LITOSFERA.
Le rocce sono composti eterogenei composti dai minerali, che sono materiali chimicamente ben definiti e con una struttura cristallina.
Le rocce si classificano in base all’origine:
MAGMATICHE: si formano per il raffreddamento del magma, che un materiale fuso che si forma nella crosta o nel mantello dove si trovano le giuste condizioni di temperatura. Quando si forma, il magma, può o rimanere all’interno della crosta o, se incontra spaccature, uscire sotto forma di colate di lava. Questa lava raffreddandosi dà origine a rocce magmatiche effusive, se invece si raffreddano all’interno si formano rocce magmatiche intrusive o ignee.
Per esempio il granito è una roccia magmatica intrusiva e la sua corrispondente effusiva è il porfido.
SEDIMENTARIE: derivano dalla sedimentazione di materiali di diversa origine diversa, grazie ad un processo di diagenesi che permette la compattazione e il cementamento delle varie parti attraverso soluzioni circolanti.
Le rocce sedimentarie sono CLASTICHE se formate dalla sedimentazione si frammenti di rocce, CHIMICHE se formate da un soluto che precipita da una soluzione, ORGANOGENE o FOSSILIFICHE se contengono al loro interno le parti dure di certi animali, come gusci o conchiglie.
METAMORFICHE: se si formano per un processo di metamorfismo. Le rocce si adattano alla situazione ambientale in cui vivono, ma la litosfera è in continuo movimento per cui può capitare che alcune rocce passino più in profondità dove le condizioni di pressione e temperatura sono diverse.
Per adattarsi alla nuova situazione le rocce mutano i minerali da cui sono formati.
Si può arrivare a capire che tipo di metamorfismo è avvenuto: se lieve, medio o forte.
Esistono anche rocce omogenee, formate in prevalenza da un solo minerale, come le rocce calcaree, formate quasi esclusivamente da calcite.
I MINERALI
Il Minerale è un composto o un elemento chimicamente ben definito e con una struttura cristallina. Le particelle che formano il composto si dispongono in modo orinato. La cella elementare, che è la parte più piccola con le stesse caratteristiche del composto, si ripete n volte nelle tre dimensioni dello spazio. Nei minerali la struttura cristallina si riflette nell’abito del cristallo, cioè nella sua forma macroscopica, se il cristallo durante la sua crescita non ha incontrato degli ostacoli.
Alcuni minerali sono composti ionici, mentre altri sono macromolecole. Nel quarzo succede che tutto il cristallo sia un’unica molecola, perché è formato da macromolecole di forma tetraedrica con all’interno il silicio e ai ertici l’ossigeno. Ma l’ossigeno deve legarsi, per raggiungere la stabilità, ad un’altra molecola formando così un unico blocco.
Esistono circa 2000 specie di minerali, ma alcuni si possono raggruppare in classi di simmetria perché hanno in comune appunto qualche elemento di simmetria.
Le classi di simmetria a loro volta sono divise in sistemi, che sono divisi in gruppi.
I minerali si possono riconoscere oltre che per la forma, per altre caratteristiche fisiche.
La DUREZZA, cioè la capacità di resistere a scalfitture o abrasione che dipende dalla forza dei legami presenti nella struttura. Si misura con una scala empirica ( di Mohs ) che presenta 10 termini.
La SFALDATURA, cioè la tendenza a rompersi lungo determinate superfici. Se il minerale è formato da elementi uniti con legami ionici avverrà una sfaldatura su determinati piani, se invece ci sono legami covalenti non avviene sfaldatura, ma frantumazione o in modo spigoloso o come nel vetro dando origine a forme concoidi.
La LUCENTEZZA è la misura del grado con cui il minerale riflette la luce; può essere metallica se assorbe la luce e il cristallo rimane opaco o non metallica se invece sono trasparenti alla luce.
Il COLORE: esistono dei metalli IDIOCROMATICI cioè che hanno un colore caratteristico e alcuni invece ALLOCROMATICI che assumono colorazioni diverse a causa o di imperfezioni a livello della struttura cristallina o alla presenza di impurezze, particelle di altri elementi imprigionate nel reticolo.
Con la tecnica dello striscio si ricava il colore originale; consiste nello strofinare il cristallo su una superficie ruvida al fine di ottenere la polvere che è sempre dello stesso colore.
La DENSITA’ che però dipende dalle condizioni di temperatura e pressione.
I minerali si formano in tempi molto lunghi e in determinati ambienti attraverso un processo chimico - fisico chiamato cristallizzazione. Questo può avvenire a seguito di un raffreddamento del magma che dà origine minerali diversi, o precipitazioni di soluti dalle soluzioni, o legati all’attività degli organismi viventi o per trasformazioni allo stato solido di materiali preesistenti.
In ogni momento il minerale è in equilibrio con l’ambiente che lo circonda, quindi studiando le caratteristiche dei minerali si risale a quelle dell’ambiente che lo circonda.
I minerali vengono classificati in base alla loro composizione chimica i otto classi:
I silicati più semplici sono formati da tetraedri separati dove l’ossigeno per stabilizzarsi si lega a ioni di ferro o magnesio o altri metalli del primo gruppo. Si chiamano NESOSILICATI e fanno parte di questo gruppo i minerali come l’OLIVINA, un silicato di ferro di magnesio, di origine magmatica e dal colore scuro; e il GRANATO che è un minerale accessorio, cioè che si può trovare all’interno di una roccia senza però essere determinante per la stessa.
Se i tetraedri si uniscono tramite ossigeni ponte con doppi legami covalenti con il silicio formando una catena, si creano gli INOSSILICATI che si dividono in PIROSSENI se formati da una semplice catena e in ANFIBOLI se formati da due catene legate lateralmente.
Gli ossigeni liberi si legano con ioni di metalli o nel caso degli anfiboli anche con ioni ossidrile.
Si hanno i FILLOSILICATI se invece più catene sono legate tra loro da legami covalenti ossigeno-silicio, come nel caso delle MICHE, che sono minerali che si sfaldano facilmente perché i legami che uniscono le varie catene sono deboli.
Nei TETTOSILICATI i tetraedri sono saldati tra loro con tutti e quattro i vertici formando una struttura compatta. Nei FELDSPATI alcuni atomi di silicio sono sostituiti da atomi di alluminio, per questo il nome di ALLUMINOSILICATI, come l’ORTOCLASIO nel granito.
I PLAGIOCLASI sono isomorfi cioè hanno la stessa struttura pur essendo chimicamente diversi. Sono miscele di ALBITE che contiene ioni sodio e ANORITE che contiene ioni calcio.
LE ROCCE
Petrologia: studio delle rocce che costituiscono lo strato superficiale della Terra e il processo di formazione delle stesse finalizzato a risalire alla formazione del terreno in cui si sono formate.
Petrografia: si occupa della descrizione delle rocce.
Le rocce continentali vengono studiate dove affiorano, perché solitamente sono ricoperte da suolo, formato da materiale di origine rocciosa, frammenti della roccia madre, e di natura organica.
La diversità tipi di suolo dipende dalla roccia madre, e il suolo differente a sua volta provocherà formazione di vegetazione diversa.
Il primo studio avviene sul terreno per determinare il colore, la durezza, la struttura, poi si raccolgono campioni che vengono portati in laboratorio per fare analisi di tipo fisico o chimico.
Con il microscopio a luce polarizzata, attraverso onde elettromagnetiche che vibrano su uno stesso piano, si possono riconoscere i vari tipi di minerali in base alla loro reazione alla luce.
Con l’analisi chimica si arriva alla composizione dei singoli minerali e con la diffrazione a raggi x si può vedere la struttura.
Le rocce magmatiche derivano dal raffreddamento del magma che deriva dalla fusione in profondità o di parti di crosta o di mantello. I componenti sono quindi minerali fusi e componenti volatili, cioè gas presenti all’interno delle rocce. Il magma primario è quello che deriva dalla fusione del mantello ed è basico, mentre quello secondario o di anatessi deriva dalla fusione della crosta ed è acido.
Il magma tende a salire verso la superficie terrestre aiutato dai gas e se trova spaccature nella crosta fuoriesce sotto forma di colate di lava e solidifica dando origine a rocce magmatiche effusive.
Se invece si solidifica all’interno della crosta si formano rocce magmatiche intrusive. Dove trova spaccature laterali il magma si insinua formando rocce filoniane o ipoabissali, che assomigliano di più alle intrusive per formazione, ma alle effusive per la struttura.
Le rocce intrusive si formano a elevate temperature che diminuiscono lentamente e a grandi pressioni, favoriti dalla presenza di gas che rendono più fluido il magma migliorando il processo di cristallizzazione. Ad ogni temperatura cristallizza un determinato minerale e il raffreddamento lento favorisce la formazione di tutti i tipi di minerali.
La struttura sarà quindi granulare cristallina e oro cristallina perché ci sono cristalli di tutti i tipi e della stessa dimensione.
Alla temperatura di 650°C tutti i minerali si sono formati, ma ci vogliono temperature inferiori per formare cristalli particolari derivati dalla solidificazione dei componenti volatili.
Questi costituiscono i giacimenti perché si depositano tra le altre rocce.
Rimangono solo soluzioni acquose calde che se trovano uno sfogo escono dando origini alle terme.
Le rocce effusive si formano dopo l’eruzione della lava che a differenza del magma non ha al suo interno i componenti volatili perché questi si liberano per primi. Queste rocce si formano quindi a seguito di uno sbalzo brusco della temperatura (da circa 1000°C a 20°C) perciò i cristalli fanno fatica a formarsi (fenocristalli), mentre gli altri si formano in frammenti, dando origine a una struttura porfirica o addirittura vetrosa (ossidiana).
Le rocce possono essere classificate in base alla composizione chimica dei magmi.
I minerali fondamentali che caratterizzano il tipo di roccia magmatica sono i silicati che si dividono in SIALICI se contengono silicio e alluminio, sono chiari e leggeri, e FEMICI che contengono ferro e magnesio e perciò sono scuri e pesanti.
Tra i sialici si trovano il quarzo, i feldspati, i plagioclasi e i feldspatoidi, mentre tra i femici si trovano la mica nera (biotite), anfiboli, olivina, pirosseni.
Accanto a questi si possono trovare altri minerali accessori come il granato e la tormalina.
Le roccia deriva da un tipo di magma e può essere acida, neutra, basica o ultrabasica in base alla quantità di silicati presenti.
Se si ha il 65% di silicati si ha una roccia acida, leucocrate (chiara) e leggera (p. specifico 2,7g/cm3):
un esempio e il granito come roccia intrusiva e il porfido o riolite o liparite come effusiva.
Se contengono tra il 65% e il 52% di silicati sono neutre, più scure (mesocrate) e più pesanti: come le dioriti (intrusive) e le andesiti (effusive).
Se contengono meno del 52% sono basiche, melanocrate (scure) e con un peso specifico di 3,3 g/cm3. Come i gabbri (intrusive) e i basalti (effusive).
Le rocce che contengono meno del 45% sono ultrabasiche o ultrafemiche come le peridotiti.
Queste rocce appartengono alla serie normale o alcalicalcica cioè che contengono ioni di calcio, ferro e magnesio.
Una serie meno diffusa è quella alcalina nella quale si ritrovano ioni di sodio e potassio. Fanno parte di questa serie le siniti (intrusive) e le trachiti (effusive) che sono neutre. Una roccia basica effusiva è invece la leucocite che contiene grossi cristalli bianchi di leucite.
Le rocce magmatiche più abbondanti sono quelle acide, le batoliti granitiche e i basalti che formano la crosta oceanica.
Il magma di anatessi da origine principalmente a rocce intrusive, perché è piuttosto viscoso essendo formato da rocce sialiche fuse e intrusioni di solide di cristalli femici che hanno bisogno di temperature più alte per fondere. Il magma rimane in profondità dando origine a batoliti per di più granitiche.
Il magma primario invece è più fluido perché al suo interno tutte le rocce sono fluide e sono presenti componenti volatili. Se la risalita è lenta o tappe il magma si trova in ogni momento in situazioni di temperatura e pressione diverse e avviene il fenomeno della differenziazione dovuta ad una cristallizzazione frazionata dei diversi minerali. Questo significa che ad una certa temperatura si separano dal fuso quei minerali femici con punto di fusione alto. La parte rimasta viene separata e si differenzia in senso acido e darà origine a rocce acide o neutre di non grandi dimensioni.
Avvengono perciò una serie di reazioni all’interno del fuso: si formano prima i minerali femici come l’olivina che ad un certo punto non sarà più stabile e reagirà con gli elementi del fuso per dare altri minerali come i pirosseni. La roccia finale è basica se non si perde il contatto con i componenti femici, se no sarà acida. Questa serie di reazioni prende il nome di serie di Bowen e spiega l’ordine di cristallizzazione dei femici e dei plagioclasi.
La temperatura e la pressione aumentano con la profondità fino al nucleo che ha la temperatura di 4000°C. Misurazioni dirette nella crosta hanno permesso di scoprire che la temperatura aumenta di 3°C ogni 100 m.
La pressione aumenta perché più si scende aumenta il peso della massa sovrastante.
La pressione si oppone alla fusione del nucleo perché a pressioni diverse si hanno punti di fusione diversi.
Il magma si forma quando si raggiungono determinate condizioni di temperatura e pressione tali da favorire la fusione.
Nel mantello superiore si arriva a queste condizioni perché il mantello, che è formato da un fluido molto viscoso, è percorso da cicli convettivi che portano la materia più calda e leggera verso l’alto. Con questa materia salgono anche i vapori che facilitano la fusione.
La materia passando da pressioni più alte a pressioni più basse va incontro a fusione.
Le rocce sedimentarie sono solo il 5% della composizione globale della terra e compongono la parte più superficiale. Si formano quindi sulla superficie terrestre, hanno un’origine esogena, in condizioni di bassa temperatura e pressione. Sono piuttosto eterogenee e hanno origine nella sedimentazione di materiali che in un tempo geologico subiscono un processo di diagenesi, cioè il materiale è soggetto a una serie di trasformazioni, che portano con la litificazione alla formazione della roccia compatta.
La sedimentazione avviene in varie fasi: la prima è la copertura, cioè del nuovo materiale ricopre quello già presente esercitano una pressione che permette la seconda fase, cioè la compattazione.
Avviene poi la cementazione dovuta alla presenza di soluzioni acquose che hanno all’interno sali che si depositano sui frammenti costituendo un cemento chimico. I più abbondanti sono la calcite (carbonato di calcio) e la selce (biossido di silicio). Le ultime fasi sono la ricristallizzazione e la metasomatosi.
A volte può accadere che nei calcari, rocce omogenee formate da calcite, in ambienti marini alcuni ioni magnesio, che assomigliano per grandezza e carica agli ioni calcio, si mettano al posto degli ioni calcio dando origine ad un dolomite. In questo caso non si ha più un calcare ma per metasomatosi si avrà una dolomia.
Il materiale che si sedimenta per dare origine a questo tipo di roccia è eterogeneo: sia avranno rocce clastiche se si sedimentano frammenti di roccia staccati dagli agenti esogeni e rimossi dal vento o dall’acqua e trasportati anche lontano dalla roccia madre, oppure portati a valle dalla forza di gravità a formare i detriti di falda; rocce organogene o biogene se la loro formazione è legata alla presenza degli organismi viventi; rocce chimiche se si sedimenta un materiale che è un soluto che abbandona una soluzione per motivi come la variazione di temperatura o pressione.
Le rocce clastiche si classificano attraverso la dimensione dei frammenti e dal fatto che questi siano incoerenti o cementati tra loro.
Se l’80% dei frammenti ha diametro superiore a 2 mm avremo rocce PSEFITI o RUDITI che si distinguono in GHIAIE se incoerenti o CONGLOMERATI se cementate.
I conglomerati poi possono essere BRECCE se i frammenti sono spigolosi o PUDDINGHE se sono arrotondati. La forma ci dà l’idea della lontananza dalla roccia madre.
Si chiamano MONOGENICI i conglomerati i cui frammenti hanno la stessa origine e POLIGENICI se hanno origini diverse.
Se l’80% dei frammenti presenti nella roccia ha diametro compreso tra 2 mm e 1/16 mm si hanno PSAMMITI o ARENITI che sono SABBIE se incoerenti e ARENARIE se cementate. Le sabbie possono essere quarzose, feldspatiche o litiche (con diversa composizione).
Se i frammenti sono più piccoli di 1/16 mm si hanno i PELITI o LUTITI che si dividono in SILT e SILTITI oppure in ARGILLE (incoerenti) e ARGILLITI (compatte).
Tra le rocce sedimentarie si trovano anche rocce miste come il flysch che si forma in un ambiente particolare. Sotto l’Oceano il continente continua con la piattaforma continentale profonda fino a 200 m. che poi scende con la scarpata continentale fino alla crosta oceanica che si trova a 3,8 Km di profondità.
Sulla piattaforma giungono sedimenti trasportati dai fiumi per di più di materiale incoerente.
In alcuni periodi questi frammenti cadono lungo la scarpata creando le correnti di torbida; arrivano al fondale prima i detriti più grossi (sabbie) e poi quelli più piccoli (silt e argilliti).
Si formano quindi TORBIDITI per la sedimentazione a struttura stratificata dell’arenaria sotto e delle argilliti sotto.
I CALCARI AUTOCTONI sono quelle rocce calcaree che rimangono nello stesso posto in cui si sono formate e che danno origine a frammenti per erosione che poi vengono allontanati da agenti esogeni. Questi frammenti per diagenesi danno origini a rocce calcaree ALLOTTONE.
Queste si dividono in CALCIRUDITI se i frammenti sono grossi, CALCARENITI se sono più piccoli e CALCILUTITI se sono piccoli.
La MARNA è una roccia formata da calcare o di origine chimica o detritica e argillite. A seconda di quale componente prevale si chiamano CALCARI MARNOSE o MARNE ARGILLOSE.
Le rocce piroclastiche derivano dalla sedimentazione dei frammenti solidi eruttati da vulcani che prima di tornare attivi subiscono delle esplosioni.
I frammenti che subiscono la diagenesi sono quindi di origine magmatica.
Ricordiamo i TUFI che sono formati da frammenti piccoli.
Rocce organogene hanno un’origine legata agli organismi viventi e vengono classificate in:
CALCARI ORGANOGENI
SELCE
FOSFORITI
ROCCE COMBUSTIBILI : carboni fossili e idrocarburi.
I calcari organogeni sono dovute all’azione diretta o indiretta degli organismi viventi.
L’azione diretta avviene in luoghi acquosi dove vivono organismi dotati di gusci che dopo la morte si depositano sul fondo. I gusci vanno incontro a diagenesi formando un calcare di accumulo o BIOSTROMA. Per esempio il MARMO ROSSO di Verona formato dai gusci di ammonite e la SABBIA A GLOBIGERINE o CRAIE formata invece da gusci di protisti foraminiferi.
I CALCARI COSTRUITI o BIOERME sono sempre dovuti ad azioni dirette ma dei coralli , celenterati coloniali che secernono una sostanza che costituisce una roccia calcarea. La stessa cosa vale per le cozze.
L’azione indiretta è dovuta all’azione delle alghe del fitoplancton . Le alghe fanno la fotosintesi e sfruttano l’anidride carbonica presente nell’ambiente acquoso. Il carbonato se non è a contatto con CO2 è poco solubile e quindi precipita formando rocce calcaree. Questi sono i calcari che a uno stadio avanzato della diagenesi possono dare origine alle dolomie per metasomatosi.
La SELCE è una roccia costituita da biossido di silicio che si origina in ambiente marino dove ci sono dei vulcani.
Esistono organismi viventi che fissano il biossido di silicio che è presente nei vapori vulcanici e quando muoiono la parte silicea rimane sul fondo dando origine a rocce RADIOLARITI se gli organismi erano protisti radiolari, SPONGOLITI se erano spugne, DIATOMITI se erano diatomee.
Le diatomee possono creare con altre specie delle farine fossili chiamate TRIPOLI.
La selce si può trovare abbinata alle rocce calcaree o tra uno strato e l’altro o come noduli se si sono formate in profondità contemporaneamente al calcare.
Le FOSFORITI si formano per diagenesi delle ossa o altri elementi contenenti fosforo. Il GLIANO è l’accumulo di escrementi di uccelli.
Le ROCCE COMBUSTIBILI sono ricche di carbonio che reagisce con l’ossigeno liberando energia sotto forma di calore.
I CARBONI FOSSILI sono la TORBA, la LIGNITE, la LITANTRACE e l’ANTRACITE che è originata per metamorfismo.
Si formano in un ambiente particolare: dove le acque sono poco profonde e sono salmastre e il fondo è dotato di moto di subsidenza cioè di rapido abbassamento.
Sul fondo si depositano resti vegetali che possono essere ricoperti da sedimenti di origine continentale trasportati dai fiumi. Si crea così un ambiente anaerobio dove operano microrganismi anaerobi come il battere micrococcus carbo che trasforma il materiale vegetale attraverso la fermentazione. Vengono allontanati l’ossigeno e l’idrogeno arricchendo indirettamente il materiale di carbonio.
I fattori più importanti per stabilire la condizione del carbone è il tempo e la pressione. La pressione è sia quella litostatica sia quella laterale esercitata durante l’orogenesi. Anche il tipo di materiale vegetale iniziale è importante.
Se aumenta la quantità di carbone nell’antracite si ha la grafite.
Gli IDROCARBURI formano la miscela che costituisce il petrolio. La composizione chimica può essere semplice come nel caso del metano o sempre più complessa contenente anche anelli tra cui il benzene.
Sono AROMATICI gli idrocarburi contenenti il benzene e ALIFATICI quelli che non lo contengono.
Le caratteristiche fisiche degli idrocarburi sono la composizione viscosa del liquido, l’odore agliaceo e il colore verde-bruno.
Per quanto riguarda l’origine esistono due teorie:
Le condriti carbonacee sono meteoriti cioè frammenti di comete. Le comete formate da ghiacci e frammenti rocciosi che passando vicino al sole a causa della sublimazione diventano luminosi e perdono pezzi di roccia che possono incrociare le orbite dei pianeti. Se il pianeta passa vicino ai frammenti questi vengono attratti verso la superficie e sono meteore se si dissolvono passando attraverso l’atmosfera e meteoriti se arriva anche della materie. Le condriti ( condros= sfera) carbonacee ( che contengono composti del carbonio) sono prove a supporto dell’origine non organogena degli idrocarburi.
Rocce chimiche: si formano o per precipitazione di soluti o per alterazione di rocce preesistenti .
Il carbonato di calcio è poco solubile se non c’è anidride carbonica ma la sua solubilità dipende dalla quantità di anidride carbonica dalla pressione dalla temperatura e dalla variazione di ph.
L’evaporazione del solvente fa diventare satura la soluzione e porta la precipitazione del soluto.
In ambiente ipogeo l’acqua porta in soluzione il calcare delle rocce in profondità.
Nella parte superiore prevale l’azione di riempimento: la goccia d’acqua che cade deposita carbonato di calcio sia sul soffitto che sul pavimento. Altre rocce chimiche si formano per deposizione in corrispondenza di sorgenti dove cambiano rapidamente le condizioni di pressione e temperatura. Si forma il TREVERTINO, roccia porosa perché il carbonato può inglobare foglie o impurità.
Un calcare chimico, l’OOLITICO è formato da tante uova di carbonato di calcio depositato intorno a granelli di sabbia in modo concentrico. Si formano quanto le acque fredde che contengono carbonato di calcio si uniscono alle acque calde che hanno sedimenti in sospensione. La solubilità del carbonato diminuisce e questo si deposita sul fondo insieme ai sedimenti.
Derivano da precipitazione chimica anche alcune rocce silicee, selci chimiche, che si formano o sul fondo del mare per precipitazione di biossido di silicio o in corrispondenza di sorgenti termali di origine vulcanica.
Le EVAPORITI invece si formano per evaporazione del solvente di una soluzione. Questo avviene in ambiente marino e dopo l’evaporazione si depositano i sali in ordine di solubilità: calcite e dolomite, gesso, anidrite, salgemma, silvite e carnallite.
Esistono poi le ROCCE RESIDUALI che si formano per alterazioni in sito di rocce preesistenti.
In particolare in un clima tropicale, caldo umido, la rocce reagiscono con i gas dell’atmosfera e allontanano il silice in soluzione e altri elementi come il magnesio, il calcio, il sodio e il potassio lasciando una roccia ricca di ferro e alluminio, perciò rossastra, chiamata LATERITE.
Una ulteriore alterazione della laterite porta alla formazione della BAUXITE, usata per l’estrazione dell’alluminio metallico.
Per disgregazione di rocce si hanno i suoli e per alterazione degli alluminosilicati si formano le ARGILLE CAOLINICHE che contengono CAOLINO importante per la fabbrica delle porcellane.
Le rocce metamorfiche : il metamorfismo è l’adeguamento della roccia a cambiamenti di temperature e pressioni più elevate rispetto all’ambiente di formazione.
Nella roccia cambia il reticolo cristallino e avvengono reazioni chimiche tra i vari minerali e grazie a queste la roccia si ritrova in una situazione di equilibrio con il nuovo ambiente.
La componente chimica globale della roccia comunque non cambia.
Importanti sono i minerali indice, minerali per i quali sono stati studiati gli intervalli di temperatura e pressione di formazione, grazie a queste presenze possiamo risalire al grado di metamorfismo e all’ambiente dove è avvenuto il processo, per ricostruire i movimenti delle rocce in profondità.
Le rocce metamorfiche presentano una struttura formata da letti paralleli di minerali detta STRUTTURA SCISTOSA. Se la temperatura aumenta ulteriormente si perde questa struttura per un aspetto granulare.
Per quanto riguarda le argille per metamorfismo danno origine nel grado basso alle FILLADE, nel medio grado al MICASCISTO e al grado alto allo GNEISS.
Un grado ulteriore è l’ultrametamorfismo che porta a temperature più elevate al processo di anatessi.
La diorite origina lo GNEISS DIORITICO, il calcare il MARMO SACCAROIDE e l’arenaria quarzosa la QUARZITE.
Esiste anche un metamorfismo di contatto che avviene in prossimità della formazione delle rocce magmatiche, perché il calore provocato dal magma attiva il processo di metamorfismo delle rocce circostanti. E’ detto dinamico il metamorfismo che avviene per un aumento di calore dovuto all’attrito provocato dalle rocce che scivolano una sull’altra.
LA COSTITUZIONE DELLA TERRA
Noi conosciamo la costituzione della Terra attraverso esperienze dirette fino a 10-12 Km e attraverso esperienze indirette grazie alla sismologia e allo studio della densità media della Terra.
Le onde sismiche ci permettono un’indagine sulle caratteristiche meccaniche dei diversi materiali che compongono la Terra.
La parte più esterna è la crosta che è allo stato solido composta da rocce.
Dalla parte più esterna a profondità maggiore c’è un brusco cambiamento nelle onde sismiche che diventano più veloci, che indica il passaggio dalla crosta al mantello.
Tra la crosta e il mantello c’è una superficie di discontinuità detta di Mohovicic o di Moho che non è una struttura reale, ma è una superficie dove vengono a contatto diversi materiali con diverse caratteristiche meccaniche.
A 2900 Km il mantello è separata dal nucleo attraverso la superficie di discontinuità detta di Gutemberg.
Il mantello è compreso quindi tra due superfici di discontinuità. I materiali di cui è composto sono più rigidi rispetto quelli della crosta. Per rigido si intende la resistenza alle deformazioni.
Più si scende in profondità più aumenta la pressione, la temperatura, la densità e cambia la composizione chimica. La temperatura aumenta nel mantello diversamente che nella crosta dove esiste un gradiente geotermico per cui la temperatura aumenta di 3° ogni 100 metri.
Nel mantello non è sempre costante questo gradiente perché se si è vicini ad un bacino magmatico la temperatura aumenta notevolmente.
La temperatura nella parte superiore del mantello è dell’ordine di qualche centinaio di gradi, mentre nel nucleo arriva fino a 3000°.
Anche la pressione aumenta con la profondità e passa da pochi Kbar sotto la superficie di Moho a 1400 Kbar in corrispondenza del nucleo.
La densità varia dalla Moho dove è circa 3,3 g/cm3 fino ai 5,6 g/cm3vicino al nucleo.
Anche per quanto riguarda la densità, non è sempre costante in tutto il mantello ma ci sono delle zone di discontinuità.
Tra la profondità di 70 Km e di 270 Km si ha una parte di mantello meno rigida rispetto le altre forse collegata ad una parziale fusione, che prende il nome di ASTENOSFERA (zona di debolezza).
La parte del mantello sopra l’astenosfera insieme alla crosta forma la LITOSFERA, che è presente sia sotto la crosta oceanica sia sotto la crosta continentale, anche se si trova più in profondità.
A profondità maggiori ci sono altre discontinuità, sia a 400 km che a 700 km dove non c’è una superficie ma dei cambiamenti di fase, cioè gli stessi elementi chimici cambiano struttura e formano composti diversi stabili alle nuove condizioni di pressione e temperatura.
A 400 km i silicati più abbondanti (olivina e pirosseni) si organizzano per dare silicati più compatto che sono gli SPINELLI; a 700 km si trovano gli ossidi.
Da 700 km a 2900 km si ha il mantello inferiore che è omogeneo, ma dove la temperatura e la pressione sono in continuo aumento.
La composizione chimica del mantello si può avere tramite dati raccolti in laboratorio dove si studia il comportamento delle onde sismiche in materiali simili a quelli del mantello.
Nei magmi primari si trovano frammenti solidi di minerali ultrabasici chiamati in generale XENOLITI e che ci fanno capire che il mantello è formato prevalentemente da materiale basico tendente a ultrabasico.
Per quanto riguarda il nucleo le nostre conoscenze si basano su ipotesi. La sua temperatura varia dai 3000° ai 4000° circa, la pressione arriva fino a 3600 Kbar e la densità nella parte interna è ipotizzata essere di circa 13 g/cm3. Sempre grazie allo studio delle onde sismiche il nucleo è stato diviso in due parti: una più esterna che si comporta da fluido e una più interna che si comporta da solido divise dalla discontinuità di Lehmann.
Per quanto riguarda la composizione chimica si è ipotizzata di metallo, più probabile una lega di ferro e nichel con una percentuale di silicio di zolfo.
Questa miscela ci dà la densità richiesta e ci spiega la presenza di un campo magnetico terrestre o geomagnetico, soprattutto per la presenza di ioni in movimento nella parte fluida del nucleo.
La Terra è un corpo relativamente caldo che irraggia continuamente calore sotto forma di flusso termico. Questo risulta essere irrilevante se si valuta la quantità di calore irraggiata nell’unità di tempo, ma diventa notevole se il tempo calcolato risulta più lungo.
Il problema è stabilire l’origine di questo calore. Una prima ipotesi ritiene che questo è il residuo del calore primitivo della Terra. La Terra si è formata per aggregazione di piccole masse che hanno convertito la loro energia cinetica in calore che si è accumulato nel corpo più grosso. La Terra ai primordi era tanto calda da essere fusa, poi si è lentamente raffreddata e i materiali più leggeri sono saliti in superficie dando origine alla crosta mentre i più pesanti hanno formato il nucleo, mantenendo all’interno del calore. Ma questo calore non basta a compensare quello disperso dalla Terra, che si è scoperto derivare anche dal decadimento radioattivo.
Esistono materiali radioattivi, radioisotopi che hanno un rapporto di neutroni e protoni molto maggiore a 1 e perciò hanno nucleo instabile.
Per raggiungere la stabilità si trasformano in un altro elemento emettendo radioattività.
Le rocce acide della crosta continentale contengono più radioisotopi di quelli della crosta oceanica, ma il flusso di calore è lo stesso; questo dipende dai cicli convettivi presenti nel mantello che portano calore alla crosta oceanica.
Il CAMPO GEOMAGNETICO si genera nella parte fluida del nucleo. Con il passare del tempo questo campo ha subito dei cambiamenti dovuti a inversione di polarità.
Il PALEOMAGNETISMO consente lo studio del magnetismo residuo presente in alcune rocce. Le rocce che più contengono queste informazioni sono le rocce magmatiche e quelle sedimentarie. Le rocce magmatiche contengono a volte dei mirali di ferro come la MAGNETITE un minerale che ha una certa suscettività magnetica , cioè si orienta come se fosse una calamita. Quando il magma solidifica, questi cristalli vengono imprigionati e si comportano come se fossero magneti e quindi ognuno genera un proprio campo magnetico che si sovrappone a quello terrestre.
Lo stesso avviene nelle rocce sedimentarie. Allo stadio di rocce incoerenti alcuni frammenti di magnetite libera di muoversi si orienta come una calamita e viene imprigionata quando la roccia si cementa.
Prelevando campioni di roccia in diverse parti si è calcolata una possibile età del campo magnetico che risale a circa 3,5 miliardi di anni. Inoltre prelevando campioni in continenti differenti si è notato che le magnetiti indicano posizioni diverse dei poli magnetici anche in rocce della stessa età.
Questo può essere spiegato o ammettendo che i poli magnetici si muovono con il passare del tempo, ma questo è impossibile, oppure ammettendo che si muovano i continenti.
Il campo geomagnetico ha subito dei cambiamenti di polarità, prendendo in esame gli ultimi 5 milioni di anni si è costruita una successione di ere in cui il campo magnetico ha cambiato polarità.
Si è costruita quindi una SCALA STRATIGRAFICA PALEOMAGNETICA attraverso lo studio di campioni di rocce raccolte in diversi punti e di diverse età.
Queste rocce sono successivamente datate o con un metodo relativo (in relazione ad altre rocce) o con un metodo assoluto (attraverso l’utilizzo di C14 o altri radioisotopi che hanno il periodo di dimezzamento più lungo).
Dopo averle datate sono state sistemate in ordine di età a formare una scala e si è scoperto che gli ultimi 5 milioni di anni sono divisibili in 4 epoche per quanto riguarda l’inversione magnetica.
Il paleomagnetismo verrà utilizzato anche per spiegare l’espansione dei fondali oceanici.
La crosta oceanica e quella continentale si differenziano per molte caratteristiche tra le quali la composizione , ma anche per il livello medio: la crosta oceanica inizia ad una profondità di 3,8 Km, mentre nelle terre emerse ci sono zone poco estese superiori a 800 m. come sono poco estese le zone depresse della crosta oceanica (fosse oceaniche).
Inoltre le due croste hanno diversità di età: la crosta continentale è formato da rocce di tutte le età e con più di quattro miliardi di anni, mentre la crosta oceanica è formata da rocce che hanno al massimo 190 milioni di anni, perché le più antiche sono tornate nel mantello.
Le zone centrali del continente sono formate da CRATONI costituiti da rocce magmatiche e metamorfiche molto vecchie. I cratoni si dividono in SCUDI caratterizzati dall’assenza di copertura sedimentaria dovuti alla mancanza di immersione della zona nell’oceano e TAVOLATI che hanno una copertura sedimentaria.
Le zone di formazione recente sono quelli di OROGENESI o CATENE MONTUOSE.
La crosta appoggia sul mantello ed è con questo in equilibrio isostatico, lo stesso equilibrio che c’è fra tra il mare e un iceberg e tra mere e una barca.
Esiste un movimento della crosta in senso verticale, cioè se una porzione di litosfera si appesantisce allora sprofonda nel mantello, se invece diventa più leggera allora si solleva rispetto al mantello.
La litostasia è stata studiata nel 1800, mentre agli inizi del 1900 nascono le prime teorie mobiliste presuppongono uno spostamento anche in senso orizzontale delle masse continentali.
Le conoscenze sull’interno della terra erano molto scarse e ci si basava su un modello ideato dallo studioso australiano Sues che prevedeva una zona chiamata NIFE (nichel e ferro ) che era il nucleo, una zona SIMA (silicio e magnesio) che rappresentava il mantello e una zona detta SIAL (silicio e alluminio) che è la crosta.
Secondo questo modello la crosta era frammentata e rappresentata solo dai continenti che erano a diretto contatto con il mantello.
La teoria mobilista che avrà più fortuna e che si basa su questo modello è la teoria sulla DERIVA DEI CONTINENTI di Wegener del 1915.
Esiste una SCALA STATISFERICA GENERALE che è stata costituita studiando e datando diversi campioni di rocce e che suddivide i 4,6 miliardi di anni della Terra in ERE e le stesse in PERIODI.
L’era più lunga e la meno conosciuta è la PRECAMBRIANA o ARCHOEZOICA che dura circa 4 miliardi di anni; da 570 milioni di anni a 245 milioni di anni abbiamo l’era PALEOZOICA che è più conosciuta ed è quindi divisa in periodi: Cambriano, Ordoviciano, Siluriano, Devoniano, Carbonifero e Permiano. Da 245 a 65 milioni di anni abbiamo l’era MESOZOICA divisa in Triassico, Giurassico e Cretaceo; Da 65 a 1.8 c’è l’era CENOZOICA divisa in : Paleocene, Eocene, Oligocene, Miocene e Pliocene. L’ultima è l’era Neozoica che comprende il Pleistocene e l’Olocene.
Secondo la teoria di Wegener nell’era mesozoica i continenti erano uniti a formare un unico continente, la PANGEA e esisteva un unico oceano, la PANTALASSA.
Poi la pangea si divide in due blocchi uno a nord e uno a sud e si crea un oceano in mezzo, TETIDE, antenato del Mar Mediterraneo.
I due supercontinenti poi si separeranno dando origine agli attuali continenti : a nord l’Eurasia e l’America del Nord e a sud il Sud America, l’Africa, l’Oceania, l’India e l’Antartide.
Secondo la teoria della deriva dei continenti lo smembramento dei grandi continenti è dovuto alla rotazione della Terra. Tale rotazione avviene da ovest verso est, per cui i continenti sono andati alla deriva verso ovest scivolando come zattere sul mantello.
Per invece la forza centrifuga si è avuta la deriva verso l’equatore.
Questa è la parte più debole della teoria, mentre molto importante è la ricerca e gli studi portati avanti da Wegener e che sono la prova di parte della teoria.
Esiste veramente una complementarità di forme a livello della piattaforma continentale dei vari continenti che fa supporre una possibile unità primitiva. Inoltre se si uniscono i continenti si trovano dati che riguardano l’identità geologica, per esempio stesso tipo di rocce, catene montuose che continuano e presenza della stessa qualità di fossili.
A sostegno della teoria ci sono poi argomenti paleoclimatici, legati alla presenza di TILLITI (morene) in zone equatoriali, che indicano la presenza del continente a latitudini più basse dove sonno presenti i ghiacciai.
Con la sua teoria Wegener cerca di spiegare anche il fenomeno dell’orogenesi: le catene montuose sono parallele o ai meridiani o ai paralleli. Il corrugamento della crosta a ovest dovuta alla rotazione avrebbe portato la formazione delle catene parallele ai meridiani, mentre il corrugamento a nord dovuto alla forza centrifuga avrebbe portato all’orogenesi parallela ai paralleli.
Nel 1929 viene pubblicata l’ultima edizione dell’opera di Wegener nella quale anche lui è critico verso la sua teoria: crede in base agli ultimi studi, che la forza che provoca la deriva dei continenti e l’orogenesi dipende dai moti convettivi presenti nel sima dovuta alla differenza di temperatura.
Negli anni ’60 avvengono importanti scoperte grazie alla costruzioni di navi con laboratori che fanno crociere oceanografiche con lo scopo di studiare i fondali marini, fare misurazioni, prelevare campioni e analizzarli. Si scopre prima di tutto che i fondali non sono piatti, ma movimentati ed inoltre sono attivi, nel senso che ci sono fenomeni sismici e vulcanici.
Si ritrovano due strutture tipiche dei fondali oceanici che sono le DORSALI OCEANICHE e le FOSSE ABISSALI.
Le dorsali sono strutture sopraelevate rispetto il fondale oceanico, che formano un sistema continuo che attraversa quasi tutti gli oceani. Le dorsali sono larghe circa un migliaio di Km e elevate di circa 2-3 Km rispetto al fondale.
In alcuni punti la dorsale può emergere in superficie come nel caso dell’Islanda.
Le dorsali si presentano frammentate, ci sono faglie che tagliano la struttura e si possono muovere in modo orizzontale. Nella parte più alta si presenta una fossa tettonica, cioè un sistema di faglie.
Le faglie sono spaccature che interessano formazioni rocciose, la litosfera o strati sedimentari.
Se le rocce sedimentarie sono sottoposte a forze distensive, in un primo momento la roccia risponde in modo elastico più o meno in base al tipo di roccia, alla forza...Quando finisce di deformarsi avviene una spaccatura secondo un piano inclinato detto PIANO DI FAGLIA. Le due parti che si creano sono le LABBRA della faglia: la parte superiore prende il nome di TETTO mentre quella inferiore di LETTO.
L’entità verticale dello spostamento di una parte rispetto all’altra è chiamata RIGETTO di faglia.
Se le forze sono estensive la faglia è DIRETTA e il tetto scorre in una parte inferiore rispetto al letto. Se invece la forza è comprimente le rocce rispondono in modo plastico fino a che non avviene la spaccatura che forma una faglia detta INVERSA e il letto scorre sotto il tetto.
Una fossa tettonica è formata da due sistemi di faglie dirette sospesi tra PILASTRI, zone più sollevate che fiancheggiano la fossa.
Il flusso termico a livello delle dorsali è elevato, l’emissione di magma basico è continuo. Arrivato in superficie raffredda immediatamente dando origine alla PILLOW lava che viene stirata e rotta.
Avvengono inoltre terremoti con un ipocentro piuttosto superficiale.
Le dorsali si formano sopra due rami ascendenti dei moti convettivi che avvengono nel mantello. Il materiale del mantello sale verso la superficie, qui incontra una pressione minore che favorisce al fusione. Si forma così un magma primario che dà origine alle lave a cuscino che vengono subito rotte mantenendo attiva la faglia.
Il materiale che non arriva alla superficie ritorna nel mantello formando due rulli che spostano la litosfera da entrambe le parti stirando la lava.
A livello della dorsale viene quindi costruita la nuova litosfera oceanica.
Ci sono zone in cui la litosfera torna nel mantello, a livello delle fosse oceaniche dove avviene la subduzione della litosfera.
Le fosse sono zone depresse fino a 10 Km dovute all’abbassamento del fondale tra due sistemi paralleli di faglie disposte a gradinata.
Il flusso termico è basso e l’attività vulcanica avviene parallelamente alla faglia ed è di tipo andesitico, cioè con un vulcanismo neutro.
Una parte della litosfera scorre sotto un’altra e torna nel mantello; qui va incontro ad un processo di metamorfismo e di anatessi. Si forma un magma neutro-acido che risale alimentando un ARCO VULCANICO (se esce in superficie) o ARCO MAGMATICO (se rimane nella crosta) non in corrispondenza della faglia, ma nelle vicinanze.
L’attività sismica avviene con un ipocentro che diventa più profondo man mano ci si allontana dalla faglia. La profondità massima raggiunta è 7820 Km. Unendo gli ipocentri alle varie profondità ci si accorge che sono disposti lungo un piano inclinato, chiamato SUPERFICIE DI BENIOFF, lungo la quale avviene la subduzione.
Il caso del Giappone è particolare: è un arcipelago che si trova piuttosto vicino al continente ed è formato dalle cime di vulcani che formano un arco vulcanico in corrispondenza di una fossa. E’ il caso di un continente di giovane formazione dovuta alla formazione di nuova litosfera continentale.
Negli anni ’60 si definisce la teoria dell’espansione dei fondali oceanici grazie a Hess: in corrispondenza delle dorsali c’è una continua formazione della litosfera che grazie ai moti convettivi del mantello si sposta lateralmente fino a che ridiscende nelle piane abissali formando la litosfera oceanica. Qui si formano le fosse dove la litosfera entra nel mantello dando origine ad un magma neutro che va a dare vita all’arco magmatico.
Le prove di questa teoria vengono dal paleomagnetismo, cioè dalle indicazioni sul magnetismo terrestre fornite da quelle rocce che hanno una suscettibilità magnetica.
Sono stati condotti degli studi e delle misurazioni sui fondali oceanici e si è scoperto che parallelamente alle dorsali corrono delle fasce di basalti che presentano anomalie magnetiche. I valori del magnetismo sono inferiori o superiori ai valori previsti: saranno superiori quando il magnetismo terrestre si somma a quello delle rocce e inferiore quando il magnetismo dei magneti viene sottratto da quello della Terra.
Le fasce di litosfera che presentano anomalie sono disposte in alternanza due positive e due negative e così via.
Grazie alla scala paleomagnetica si possono datare le rocce più vicine alle dorsali e con datazioni assolute anche quelle più lontane.
Più ci si allontana dalle dorsali più le rocce sono di vecchia formazione fino a 190 milioni di anni, ma non oltre perché in prossimità delle fosse la litosfera torna nel mantello.
Questa è la prova della teoria dell’espansionismo dei fondali oceanici.
Sempre negli anni ’60 si è giunti anche alla formulazione della teoria della tettonica delle placche, che prende in esame il comportamento della litosfera.
La litosfera è intersecata da fasce attive come le dorsali, le fosse e le faglie che formano un’immensa rete dividendo la litosfera in una ventina di maglie, sei delle quali molto vaste.
Queste maglie sono le placche, che possono essere formate o da sola litosfera oceanica o da litosfera continentale o da entrambe.
Le placche sono determinate da margini che possono essere: costruttivi, le dorsali, lungo le quali si costruisce la litosfera; distruttivi, le fosse, dove avviene la subduzione; conservativi, le faglie trasformi, dove i lembi della litosfera scorrono uno accanto all’altro ma senza variazioni di volume della litosfera.
Ogni placca è in contatto reciproco tanto che il movimento di una placca condiziona quello di tutte le altre.
OROGENESI
L’orogenesi è un processo che porta alla costruzione della crosta continentale grazie al materiale che risale dal mantello.
Quando, per il movimento delle placche, un continente arriva a ridosso di una fossa oceanica, dato che la litosfera oceanica è più densa di quella continentale, non avverrà subduzione della litosfera continentale, bensì di quella oceanica.
Esistono tre modi in cui può avvenire l’orogenesi. Il primo avviene tra due zolle di litosfera oceanica che si trovano a livello di una fossa. Qui una zolla sottoscorre all’altra. Intanto parallelamente alla fossa si sviluppa un arco magmatico che alterna fasi di esplosione e fasi di effusione. Questi vulcani possono anche emergere dando origine ad un continente come il caso del Giappone. In futuro i vulcani emersi vengono erosi da fattori esogeni e i frammenti vengono accumulati sulla crosta oceanica. Grazie ai movimenti della zolla i sedimenti vengono poi sollevati e piagati fino a quando non emergono e non si appoggiano al continente dando vita ad una continente più ampio. Si forma una catena montuosa formata da rocce sedimentarie ripiegate di origine continentale.
Il secondo caso si ha quando a livello di una fossa si trovano una zolla continentale e una oceanica. E’ il caso delle Americhe. Nel Sud avviene che il continente viene smantellato e i sedimenti si accumulano nella zona geosinclinale che per il peso si abbassa. Gli stessi sedimenti poi vengono piegati ed emergendo danno vita ad una catena montuosa che si unisce al continente, che è formata da rocce sedimentarie fortemente ripiegate.
L’America del Nord è invece il caso di ACCRESCIMENTO CROSTALE . La placca oceanica che scorre sotto quella continentale trascina ogni tipo di materiale tra cui vecchi vulcani che a livello delle fosse vengono spinti verso il continente che si sta sollevando.
Nel terzo caso la placca in subduzione comprende anch’essa un continente; quando questo arriva a livello della fossa avviene una collisione continentale. Tra i due continenti si depositano dei sedimenti che vengono ripiegati man mano i due continenti si avvicinano. Quando arrivano alla fossa i continenti non sottoscorrono ma uno si incunea sotto l’altro fino a che si saldano dando origine ad un unico continente. Lungo la linea di saldatura si forma una catena montuosa che ha un basamento di rocce metamorfosate ricoperte di quei sedimenti che si erano depositati nel mare. Questi formano le cosiddette FALDE DI RICOPRIMENTO e hanno una forma di pieghe coricate che ricoprono il basamento cristallino.
E’ quello che è avvenuto in India per la formazione della catena Himalayana, dove si ritrovano anche frammenti di rocce basaltiche del fondale oceanico, che prendono il nome di OFIOLITI.
Le catene montuose presenti sul globo si possono far risalire a tre orogenesi:
Ma cosa provoca tutti questi movimenti della litosfera? Molti elementi fanno pensare ai moti convettivi presenti nel mantello, provocati da squilibri termici, che sono causati dal calore liberato dai processi radioattivi.
Grazie alla tomografia sismica, cioè ad una scienza che studia in modo sofisticato le onde sismiche e permette una visione tridimensionale dell’interno della Terra in termini di regioni calde e fredde.
Il mantello fino a 200Km di profondità è freddo sotto i continenti e caldo sotto le dorsali. A profondità maggiore, fino a 600Km, la struttura termica del mantello è collegata ai movimenti dei continenti: si osservano due regioni calde che intorno hanno regioni fredde disposte ad anello.
Per rispondere alla domanda che chiede fino a che profondità avvengono questi movimenti, è necessario studiare i fenomeni che si verificano al passaggio dal mantello al nucleo.
Dal nucleo interno che è solido arriva un’enorme quantità di calore che fonde il nucleo esterno, il quale presenta dei moti convettivi. Questi moti trasferiscono il calore alla base del mantello che presenta anche lui dei moti convettivi.
Dalle zone più calde della base del mantello si innalzano pennacchi che si manifestano nei punti caldi, caratterizzati da un elevato flusso termico e da intenso vulcanismo.
Alcuni pensano che questi pennacchi portino il calore direttamente dal nucleo alla superficie, attraverso il mantello. I moti della placche sarebbero legati quindi ai moti convettivi del mantello, ma con notevoli interferenze dei pennacchi.
Altri invece propongono un modello di movimenti a due livelli: alcuni movimenti avvengono nella parte superiore del mantello, altri nella parte inferiore e nel nucleo esterno.
I moti delle placche sarebbero collegati ai movimenti del mantello superiore, mentre la zona sottostante servirebbe da rifornitore di calore.
I FENOMENI VULCANICI
Sono fenomeni che interessano solo quelle zone in cui la litosfera è fagliata, cioè le dorsali, le fosse e le faglie trasformi.
Esistono però vulcani attivi anche sulle placche dovuti alla presenza di punti caldi e di pennacchi che possono avere natura profonda o anche superficiale.
Il vulcanismo porta alla liberazione di materiale del mantello, sia di gas che di magma; è un trasferimento di materia e energia dal mantello alla crosta.
Il vulcano è una spaccatura della crosta che mette in comunicazione un accumulo di magma in profondità, detto bacino magmatico, con la superficie.
Il materiale che fuoriesce raffreddandosi con il tempo dà origine al monte vulcanico.
Il vulcano può essere di due tipi: a camino centrale o a fessura.
Nel vulcano a camino centrale la spaccatura ha la forma di un cilindro ed alla sua apertura ha il cratere; mentre il vulcano a fessura è quello tipico delle dorsali, con una lunga faglia nella crosta che mette in comunicazione il bacino magmatico con la superficie.
La morfologia del monte vulcanico dipende dal tipo di lava che emette. Se la lava è basica e quindi fluida prima di raffreddarsi si spande in modo ampio sul territorio circostante formando un vulcano a scudo, cioè un monte con la base molto larga. Il monte si forma quindi dal depositarsi di colate di magma basico e molto fluido.
I vulcani composti o strato vulcani invece hanno una forma conica formata da un’alternanza di strati di lava e strati di piroclasti, perché una fase esplosiva si alterna a una effusiva.
Il tipo di lava determina anche la modalità di eruzione. Teoricamente il vulcano attraversa tre fasi: una esplosiva con emissione di gas e piroclasti, una effusiva con emissione di lava e una fase di quiescenza. Se questa terza fase è particolarmente lunga il vulcano può essere considerato estinto.
Le modalità di eruzione possono essere classificate in:
eruzione hawaiiana determinato da magma basico, caldo e fluido e dalla presenza di un monte vulcanico a scudo. Questo tipo di eruzione è caratterizzata da una mancanza della fase esplosiva proprio per la fluidità del magma.
La base del vulcano è molto ampia e alla sommità c’è una zona depressa, la CALDERA, dove all’interno si trova il cratere. In fondo si vede il LAGO di lava. I gas si liberano facilmente e quando l’emissione è abbondante la lava superficiale sembra ribollire. Prima dell’effusione i gas possono provocare getti di lava chiamate FONTANE di lava.
La lava emessa scivola lungo la superficie del monte aumentando la massa del monte.
Eruzione islandese: è quella tipica delle dorsali dove il magma primario si solidifica dando origine a nuova litosfera. Ci sono però eruzioni di questo tipo anche sul continente dove si formano le piattaforme basaltiche dette anche plateaux.
Eruzioni stromboliane: avvengono quando il magma basico è però più viscoso. La parte superiore del magma solidifica formando una crosta sottile che salta per la pressione esercitata dai gas all’interno. C’è quindi una modesta esplosione caratterizzata dal lancio di materia della crosta e di gas. Le fasi di riposo durano poche ore.
Eruzioni vulcaniane: sono caratterizzate dalla presenza di magma neutro più viscoso. I gas fanno fatica a liberarsi perché la parte superficiale del magma solidifica formando un tappo.
La pressione esercitata dai gas è forte e fa saltare il tappo che viene disintegrato e proiettato nell’atmosfera insieme ai gas che provocano il fungo vulcanico. C’è quindi una fase esplosiva molto forte che può essere seguita da una fase effusiva.
Con questo tipo di eruzioni cambia anche la morfologia del vulcano che diventano stratovulcani. Infatti i gas causano una diversa composizione dell’atmosfera che acquista vapore acqueo, anidride carbonica, azoto e composti degli alogeni.
Eruzioni vesuviane: sono caratterizzate da una fase esplosiva molto forte che porta in superficie oltre al tappo anche porzioni di lava che vanno a formare delle particelle vetrose.
Un tipo molto violento di eruzione vesuviana e quella pliniana.
Eruzioni peleeani: avvengono se il magma è molto acido e quindi denso. Il magma fa fatica ad uscire e solidifica all’interno del condotto sporgendo dal cratere. Alla base si liberano gas in modo violento che fanno uscire piroclasti incandescenti che scivolano lungo le pendici creando le nubi ardenti discendenti.
Il materiale piroclastico più grosso dopo l’esplosione ricade vicino al cratere, mentre le polveri possono rimanere per parecchio tempo nell’atmosfera oscurando o riflettendo la luce solare e provocando cambiamenti di clima.
Anche l’aspetto delle colate solidificate è differente in base alla composizione del magma.
Il magma basico solidifica sulla crosta presentano una superficie liscia detta lava pahoehoe; se la crosta superficiale viene trascinata dal magma fluido presentando delle grinze e dando origine ad una lava a corda. Se il magma è viscoso si ha una crosta frammentata: i frammenti solidificando danno una lava aa.
Se il magma è neutro origina dei blocchi voluminosi: lava a blocchi.
In ambiente oceanico, vicino alle dorsali quando il magma fuoriesce solidifica bruscamente dando origine a paste vetrose che si accumulano una sopra l’altra formando lave a cuscino.
Se invece il magma è molto acido solidifica nel camino ed è sottoposto insieme al monte ad erosione. Se viene erosa prima la lava solidificata si ha una zona depressa all’interno del condotto che viene svuotato, se invece avviene il contrario si ha l’erosione del monte e mette a nudo il contenuto che prende il nome di neck o plug.
Neck può essere anche il riempimento del camino con materiale brecciato, cioè piroclasti che tornano indietro.
Se le nubi ardenti non trovano sfogo attraverso il cratere, i gas fuoriescono da spaccature laterali spandendosi velocemente e con temperature elevate su ampi spazi. Inoltre trasportano del materiale che sedimentando dà origine ad un tipo di roccia detto IGNIMBRITE.
Esistono delle eruzioni IDROMAGMATICHE che si hanno quando nel sottosuolo a contatto con il magma si trova un sistema acquifero. L’acqua viene scaldata e evapora. Si forma così del vapore che fa aumentare la pressione e fa saltare le rocce sovrastanti formando un camino dal quale escono vapore, lava polverizzata e frammenti di rocce.
Il materiale che sedimenta assume una forma ondulata.
Il vapore che si libera condensa dando origine a forti temporali che trasformano il materiale piroclastico in colate di lava dette LAHAR.
Nelle zone in cui esistono vulcani estinti si verificano fenomeni denominati post vulcanici che testimoniano la presenza del magma nel sottosuolo.
Questi sono: le sorgenti termali e minerali; le emissioni di fango o vapori e i geyser che si formano quando l’acqua che penetra in profondità viene riscaldata ma non evapora per la forte pressione. Allora risale in superficie cominciando ad evaporare fino a che il vapore non erompe all’esterno trascinando anche una quantità di acqua calda.
I FENOMENI SISMICI
I terremoti o sismi sono vibrazioni della Terra prodotte dalla liberazione di energia meccanica accumulata in un punto al suo interno, l’ipocentro, che può trovarsi a varie profondità.
I sismi sono eventi frequenti ma solo pochi, i macrosismi, vengono percepiti e provocano danni; la maggior parte sono microsismi, cioè vengono percepiti solo dagli strumenti.
Le zone della litosfera dove si generano i terremoti sono dette sismiche, mentre le zone dove non avvengono sono dette asismiche.
Per spiegare come avvengono i terremoti e perché si accumuli nel sottosuolo tanta energia si ricorre alla teoria della reazione elastica. Questa viene elaborata dal sismologo americano Reid dopo aver osservato le conseguenze del terremoto del 1906 a San Francisco. La penisola californiana è tagliata dalla faglia di S.Andreas. Dopo il terremoto Reid osserva che gli elementi del paesaggio avevano subito uno spostamento. Reid osserva allora tutte le mappe del territorio a cavallo della faglia e si accorge che si erano spostati gradualmente anche prima del terremoto.
La teoria quindi si basa sul fatto che le forze endogene sollecitano le masse rocciose che prima tendono a deformarsi e poi quando arrivano ad una situazione limite si rompono tornando ad una situazione di equilibrio. In questo momento si libera tutta l’energia accumulata.
Questa energia in parte serve per vincere l’attrito tra i due blocchi rocciosi e viene trasformata in calore, mentre l’altra parte si libera sotto forma di onde sismiche che si propagano a tutta la massa della Terra con modalità diverse in base al tipo di onda e al materiale attraversato.
La teoria della reazione elastica prevede quindi che in una zona in cui avviene il terremoto si instauri un periodo di equilibrio e tranquillità fino al successivo sisma.
L’intero processo prende il nome di ciclo sismico e può essere schematizzato in quattro fasi.
La fase intersismica si ha dopo il terremoto quando comincia ad accumularsi nuovamente energia sollecitando le rocce e provocando cambiamenti fisici non evidenti.
Nella fase presismica le rocce hanno accumulato tanta energia e si registrano cambiamenti fisici delle rocce che possono essere rilevati dagli strumenti e che preannunciano un terremoto imminente anche se non è ancora possibile stabilirne i tempi.
Il terremoto si manifesta durante la fase cosismica, mentre durante quella postsismica avvengono scosse di assestamento o REPLICHE durante le quali le rocce tornano ad uno stato di equilibrio.
Gli agenti scatenanti di un terremoto possono essere anche la posizione della luna e del sole rispetto alla Terra oppure la presenza anomala di fluidi all’interno delle rocce.
All’interno della Terra l’energia si propaga sotto forma di onde sismiche che possono avere diverse caratteristiche. Esistono onde interne o di volume che hanno origine nell’ipocentro e le onde superficiali che si originano nell’epicentro. L’epicentro è la zona posta in superficie che si trova sulla verticale dell’ipocentro.
Le onde interne si dividono in onde prime o longitudinali o di compressione che fanno vibrare la roccia nella stessa direzione di propagazione dell’onda, ma provocando un cambiamento di volume nella roccia, sono le più veloci e attraversano tutti i tipi di materiale; e in onde seconde o di taglio o trasversali che sono legate allo scivolamento delle rocce lungo il piano di faglia. Queste non provocano cambiamento di volume nella roccia e fanno vibrare le particelle perpendicolari alle onde. Sono più lente e non si propagano nei fluidi.
Le onde seconde giungendo in superficie generano due tipi di onde superficiali le R e le L.
Al propagarsi delle onde R o di Rayleigh le particelle si muovono descrivendo un’orbita ellittica come nel moto ondoso, mentre al propagarsi delle onde L o di Love le particelle vibrano nello stesso piano dell’onda ma perpendicolarmente ad essa.
Le onde superficiali sono più lente e più ampie e quindi le ultime a essere registrate.
L’effetto finale di un terremoto dipende dalla combinazione delle varie onde, tutta la terra è interessata dal propagarsi di tali onde che però diventano sempre più deboli man mano ci si allontana dall’ipocentro e in base alla conformazione del territorio.
Nella Terra avvengono anche le oscillazioni libere che sono tipiche di un corpo che viene perturbato mentre è in equilibrio e poi viene lasciato libero. Lo studio di queste oscillazioni libere nella Terra può rivelarsi importante perché le oscillazioni dipendono dal corpo che oscilla e non dalla causa dell’oscillazione.
Esistono dei laboratori dove a tempo piano vengono registrati tutti i movimenti della Terra in modo sofisticato tanto che ora è possibile registrare anche i RUMORI DI FONDO cioè i movimenti del terreno dovuti al traffico, all’urto del mare o del vento...
Gli strumenti che vengono utilizzati per queste registrazioni sono i SISMOGRAFI che si basano sull’inerzia di una massa sospesa alla quale è attaccato un pennino e dove ciò che si muove è il supporto al quale è collegato un rotolo di carta. Quando la superficie terrestre si muove il rotolo batte sul pennino il quale lascia un grafico.
Per registrare tutti i tipi di onde sono necessari tre sismogrammi uno per ogni componente: uno per quella verticale e due per quelle orizzontali.
La registrazione deve avvenire anche ad una certa distanza dall’epicentro perché in questo punto le onde sono aggrovigliate.
I sismogrammi sono grafici che riportano in scala il movimento delle onde sismiche che vengono studiate per ricavarne molte informazioni.
La forza di un terremoto può essere misurata attraverso una misura strumentale chiamata MAGNITUDO e elaborata da Richter.
Se si considerano due terremoti e i loro sismogrammi in laboratori diversi il rapporto tra le onde più ampie è costante e rimane costante anche in prossimità dell’epicentro.
E’ necessario avere però delle misure standard dell’ampiezza delle onde.
L’ampiezza standard massima è stata stabilita di 0,001 mm a 100Km dalla stazione.
Per calcolare la magnitudo del terremoto è necessario fare il rapporto tra l’ampiezza dell’onda standard e quella del terremoto da analizzare.
Si elaborano valori diversi per ogni stazione tenendo conto della distanza e delle differenze geologiche.
I terremoti che si verificano provocano delle oscillazioni ampie tanto che viene introdotto il calcolo logaritmico per calcolare la magnitudo.
Non ci sono limiti di calcolo anche se i terremoti più forti sono intorno al valore 8 di magnitudo e -3 il minore.
Un altro modo per calcolare la forza del terremoto è l’INTENSITÀ’ elaborata da Mercalli che crea una scala empirica che si basa sui danni provocati dal terremoto e divisa in 12 gradi.
I dati vengono riportati sulla carta geografica e vengono tracciate delle linee ISOSISME che racchiudono zone che hanno subito gli stessi danni.
La zona con la stessa magnitudo possono avere intensità diverse.
Esiste una relazione tra sismi, vulcani e tettonica delle zolle.
STRATIGRAFIA E TETTONICA
Una formazione geologica è l’insieme degli strati che hanno avuto origine in un ambiente omogeneo e che sono coevi, vale a dire che si sono formati in uno stesso lasso di tempo.
Ogni formazione ha caratteristiche precise che permettono di distinguerle dalle altre; le formazioni sedimentarie tali caratteristiche sono date dalla litologia e dal contenuto paleontologico. Esistono poi formazioni ignee (piroclastiche, laviche…) e formazioni metamorfiche.
Una formazione di rocce sedimentarie può apparire massiva ovvero stratificata; uno strato può avere spessore variabile, da pochi centimetri ad alcuni decimetri e può avere una superficie molto vasta.
Lo strato è l’unità più piccola di una serie rocciosa ed è delimitato nei confronti degli altri strati da superfici di discontinuità dette piani di stratificazione.
Uno strato-chiave o livello guida è un livello di modesto spessore all’interno di una formazione dotato di un colore particolare o di una natura litologica facilmente distinguibile dal resto della formazione. Esso permette di seguire con più facilità l’andamento sul terreno della formazione di cui fa parte, soprattutto dove ci sono ostacoli che impediscono la continuità dell’affioramento roccioso.
Uno strato a spessore notevole viene chiamato BANCO.
Attraverso l’analisi delle rocce affioranti è possibile arrivare a ricomporre la successione di formazioni che dalla più antica alla più giovane, rappresentano la storia geologica di una determinata area. Tali successioni litologiche possono essere costituite da numerose formazioni e raggiungono spessori anche di migliaia di metri e vengono chiamate anche serie stratigrafiche.
Facies è un termine latino che significa aspetto e in geologia indica proprio l’insieme dei caratteri litologici di una roccia. La facies dipende dall’ambiente di formazione di una roccia.
Le facies continentali si riconoscono in rocce presenti nelle terre emerse. Tra queste sono molto diffuse le facies moreniche, rappresentati da fasce di detriti depositati dai ghiacciai e si riconoscono per il loro aspetto caotico, mentre la forma varia dalla posizione dell’accumulo rispetto al ghiacciaio.
Le morene laterali si sono formate ai lati di una lingua glaciale, mentre quelle frontali si sono formate di fronte al ghiacciaio.
Le facies fluviali o alluvionali sono rappresentate da materiali ora grossolani ora minuti deposti da un fiume sul suo letto.
Altre facies continentali sono quelle desertiche, con le tipiche dune, collinette sabbiose accumulate dal vento su vaste aree a clima arido. Esse sono soggette a continui spostamenti ad opera del vento e possono assumere forme e dimensioni diverse.
Infine ci sono le facies lacustri formate da fanghi argillosi o calcarei ormai consolidati, con molluschi, piante acquatiche e livelli di torba.
Le facies di transizione sono tipiche delle zone di passaggio dalle terre emerse al dominio marino. Ne sono un esempio le facies palustri o di laghi costieri con acqua salmastra per mescolanza dell’acqua marina con l’acqua dolce proveniente dai rilievi montuosi.
Ci sono poi le facies lagunari, tipiche dei bracci di mare rimasti isolati per lo sviluppo di cordoni e collegati con il mare aperto solo da alcuni canali naturali.
Tipiche di transizione sono le facies d’estuario e di delta dove un fiume sfocia in mare e le acque si mescolano. Infine ci sono le facies costiere, formate di sabbia trasportata e depositata dal vento lungo la spiaggia.
In luoghi che oggi sono ben lontani dal mare è possibile riconoscere delle dune fossili, che appaiono come arenarie con una tipica stratificazione obliqua o a festoni dovuta al cambiamento di direzione del vento.
Le facies marine presentano una grande varietà di tipi litologici. Tali facies possono schematizzate in tre grandi suddivisioni. Ci sono le facies litorali tipiche dei fondali sabbiosi-argillosi e della striscia compresa tra la bassa e l’alta marea; le facies neritiche (dal greco nereis che significa conchiglia marina) che sono tipiche dei fondi sabbiosi regolari o dei fondi rocciosi con scogli e anfratti. Qui dove le condizioni di clima lo consentono si sviluppano praterie di alghe e costruzioni di coralli e madrepore e abbondano spugne, molluschi, echinodermi…
In alto mare a distanza dalle coste ci sono le facies pelagiche in genere caratterizzate dalla deposizione di argille e fanghi di vario tipo in cui si trovano in grande prevalenza resti di microrganismi planctonici. Questi possono essere animali o vegetali e hanno gusci calcarei o silicei che dopo la morte dell’organismo cadono sul fondo dando origine ai sedimenti.
I sedimenti delle facies marine si accumulano strato su strato dando origine a estesi corpi litoidi tabulari. Depositi grossolani più vicino alla costa o lungo la scarpata possono invece assumere forma lenticolare.
Lo studio di queste facies è importante anche per l’individuazione di giacimenti di idrocarburi che rimangono intrappolati tra tipi di rocce sedimentarie particolari.
Il passaggio da una facies di un tipo ad una di un altro, ma contigua si chiama eteropia di facies; facies identiche ma non contigue sono chiamate invece isopiche.
Il ritiro del mare da un’area sommersa avviene o per sollevamento della regione o per abbassamento del livello del mare. Il fenomeno prende il nome di regressione: si tratta di un ritiro delle acque che può assumere diverse entità.
Il processo inverso si chiama ingressione o trasgressione ed è altrettanto variabile.
Se un’area subisce un processo di regressione seguito da uno di trasgressione, nella serie di rocce si osserva un limite in forma di linea irregolare che divide i due pacchi di rocce.
Tra i due pacchi si nota la mancanza di rocce sedimentarie marine corrispondenti al periodo di emersione e erosione. Tale mancanza si chiama lacuna stratigrafica.
Una trasgressione può essere concordante o discordante; nel primo caso i due pacchi rocciosi hanno gli strati tutti paralleli tra loro e ciò significa che i movimenti che hanno fatto prima emergere e poi sommergere l’area sono avvenuti solo lungo la verticale.
La discordanza angolare si ha quando una regione viene sollevata più da una parte che dall’altra o viene compressa lateralmente in modo che gli strati più antichi si pieghino e si inclinino.
Durante il loro periodo di vitale rocce possono essere spostate o compresse da sforzi generati all’interno della terra.
Un ammasso roccioso sottoposto a sforzo può subire un trasporto, cioè una traslazione in blocco su una certa distanza, o una deformazione interna con cambiamenti di forma che può essere continua, se due punti della massa inizialmente contigui dopo lo spostamento rimangono vicini oppure discontinua se alla fine i due punti si trovano lontani.
Il tipo di deformazione e le strutture che ne derivano sono legati al modo in cui si comportano i corpi solidi sottoposti a sforzo. Quando la sollecitazione supera un certo valore, che varia da sostanza a sostanza, il corpo, dopo la sollecitazione, non ritorna più al suo stato precedente perché ha raggiunto il limite di elasticità, oltre il quale la deformazione è plastica, cioè permanete.
Se la sollecitazione aumenta il corpo si rompe il corrispondenza del valore detto carico di rottura.
Le deformazioni oltre che alla natura delle rocce sono controllate da altri fattori, come la pressione di carico, la temperatura, la presenza di fluidi e la velocità.
All’interno della crosta una roccia è sottoposta alla pressione litostatica che aumenta con la profondità; anche la temperatura è importante perché all’aumentare di essa diminuisce l’intervallo di plasticità.
Si parla di movimenti tettonici quando si descrivono le deformazioni di una regione, orogenetici se si considera il corrugamento che porta alla formazione di una catena montuosa e epirogenetici se si prendono in esami movimenti verticali di un’intera area.
Quando le rocce sottoposte ad uno sforzo si rompono si ha una faglia. (vedi pag. 12).
Molte rocce presentano un comportamento plastico a certe condizioni di temperatura e pressione in superficie, altre lo acquistano invece se si trovano in profondità nella crosta. In ogni caso, se le sollecitazioni rimangono all’interno dell’intervallo di plasticità, il risultato sarà una deformazione continua della roccia che si manifesta sotto forma di tipi diversi di pieghe.
Le più frequenti sono le successioni di anticlinali e sinclinali: le prime hanno la convessità verso l’alto, le seconde verso il basso. L’ampiezza di una piega varia da pochi decimetri a centinaia di metri; anche il raggio di curvatura varia da caso a caso.
La direzione di allungamento di una piega è perpendicolare alla direzione della spinta che ha provocato la deformazione.
In una piega le parti principali sono la cerniera, il tratto di massima curvatura, i due fianchi ai lati della cerniera; tra i due fianchi è compreso il nucleo.
Il piano ideale che passa per le cerniere dei vari strati, il piano assiale, è verticale nella piega diritta.
In tal caso la direzione della spinta è perpendicolare all’allungamento della piega, ma non si può determinare il verso.
Se il piano assiale è inclinato rispetto alla verticale si parla di pieghe inclinate o di pieghe coricate se l’asse è prossimo ad essere orizzontale.
Nel caso di spinte molto forti può capitare che una piega si rovesci sopra ad una contigua, come è successo nella catena alpino-hmalayana. La stessa cosa può avvenire con una faglia inversa, se l’accavallamento di un settore sull’altro è molto esteso. In tal caso si parla di sovrascorrimento.
Se questo fenomeno è così esteso da assumere dimensioni regionali allora si parla di falde o coltri di ricoprimento. I terreni sovrascorsi sono chiamati alloctoni, quelli su cui è avvenuto il sovrascorrimento sono detti autoctoni.
Il margine della faglia maggiormente avanzato è detto fronte.
La finestra tettonica è un tratto di valle che nella sua parte bassa permette di vedere i terreni al di sopra dei quali è avvenuto sovrascorrimento. Se l’erosione ha demolito quasi tutta la faglia sovrascorsa, lasciando solo lembi residui questi vengono chiamati scogli tettonici.
LA STORIA DELLA TERRA
La geologia storica ricostruisce gli eventi che si sono succeduti sulla Terra.
Ogni roccia è un documento nella quale sono scritte le condizioni dell’ambiente al momento della sua formazione. Inoltre esistono i fossili, che erano animali o vegetali adatti all’ambiente in cui vivevano e che quindi portano in sé informazioni sull’ambiente dell’epoca in cui sono databili.
Grazie a queste informazioni è possibile risalire anche alle successioni stratigrafiche. Ottenute quelle di varie regioni è possibile combinare i vari risultati per ottenere serie stratigrafiche sempre più estese.
Nel giro di due secoli sono state studiate tante serie correlate per ricostruire un’unica serie nella quale vengono disposti in ordine cronologico le varie formazioni rocciose ricostruendo la storia del pianeta.
La serie stratigrafica generale permette di suddividere i 4,6 miliardi di anni della Terra in intervalli che sono le ERE le quali vengono divise in PERIODI che a loro volta sono divise in ETA’ e le età in CRONI. Il crono è l’intervallo necessario per la formazione di una formazione rocciosa. Un gruppo più ampio di formazioni rocciose formano le età ecc.
L’unica cronologia all’inizio del secolo era quella che si basava sulla datazione relativa; ma nel nostro secolo viene scoperta la radioattività e con essa è possibile la datazione assoluta che si basa sui periodi di dimezzamento dei radioisotopi. Questa datazione permette di definire le età in numero di anni.
Le ere individuate sono 5, prima erano 4 ma poi sono state trovate rocce più antiche e si è introdotta l’era più antica del PRECAMBRIANO che copre 4 miliardi di anni.
I limiti delle diverse ere è segnato da un passaggio biologico.
Da 570 a 245 milioni di anni si ha l’era PALEOZOICA o PRIMARIA dove i fossili sono più abbondanti e compaiono i primi organismi viventi.
Questa era è suddivisa in 6 periodi: CAMBRIANO da CAMBRIA nome antico del GALLES; ORDOVICIANO e SILURIANO da antiche tribù britanniche. Questi tre periodi coprono il PALEOZOICO INFERIORE che termina circa 400 milioni di anni fa.
Il PALEOZOICO SUPERIORE è formato dal periodo DEVONIANO che deriva dalla regione del DEVON dove sono state ritrovate rocce significative di questo periodo; dal CARBONIFERO chiamato così per i giacimenti di carbone e dal PERNIANO dalla città di Perni in Russia.
L’era MESOZOICA si divide in tre periodi: TRIASSICO da trias = 3 facies; GIURASSICO dal nome del Giura franco-svizzero e il CRETACEO dalle Alpi Craie.
L’era CENOZOICA comprende da 65 a 1,8 milioni di anni fa fino alla comparsa dell’uomo. E’ un’era corta e suddivisa in periodi più numerosi.
Il nome di questi periodi è formato dal prefisso che significa dal meno nuovo al più nuovo più un suffisso CENE che significa nuovo.
Un fossile è qualsiasi resto di organismo una volta vivente che più o meno rapidamente si è estinto.
I fossili guida sono i fossili di animali vissuti per un determinato periodo di tempo e su aree estese e servono per fare delle correlazioni.
L’era precambriana occupa 4 miliardi di anni e inizia con la formazione della Terra e finisce con un aumento delle specie di organismi viventi detta “esplosione di vita nel Cambriano”.
Questa era è caratterizzata dalla presenza di poche rocce che affiorano nei cratoni e che sono fortemente metamorfosate e ce ne sono poche di origine sedimentarie. Le più antiche sono affiorate in Australia e sono datate 4 miliardi di anni grazie alla presenza di Granati.
Questo significa che la crosta si era già formata a quell’epoca e c’era stato il tempo per la sedimentazione.
Il sistema solare si è formato da una nebulosa, che ad un certo punto ha iniziato a collassare e a convergere in un punto. Assume così forma di un disco con al centro il Sole e intorno altri corpi che si allontanano a causa di un potente vento solare. La Terra si è formata per aggregazione di particelle. In questo momento la Terra è un corpo molto caldo se non addirittura fusa, perché l’energia cinetica delle particelle viene convertita in calore.
Avviene poi una differenziazione gravimetrica dei materiali, cioè i più pesanti vanno a formare il nucleo, mentre quelli più leggeri vanno in superficie e formano la crosta, che è principalmente costituita da basalti. La crosta viene così percorsa da faglie e attraverso questi vulcani a fessura uscivano magma e gas. Il primo andava a formare nuova crosta, mentre i secondi si sommavano alla prima atmosfera modificandola.
Si ottiene così un’atmosfera rilucente dove compaiono il vapore acqueo, l’anidride carbonica…
Cominciano anche precipitazioni, ma l’acqua evapora subito per la temperatura elevata della crosta, inoltre l’anidride carbonica frena il raffreddamento della Terra con l’effetto serra.
La crosta raffreddandosi comincia a trattenere l’acqua e si formano i primi oceani primordiali che separano i continenti dove sono presenti con le rocce OFIOLITI le testimonianza di questi oceani primitivi.
3,5 miliardi di anni fa inizia l’evoluzione prima chimica e poi biologica che porta alla presenza di organismi viventi. Questi sono simili a batteri eterotrofi procarioti, ma non fotosintetici, perché manca l’ossigeno.
2 miliardi di anni fa compaiono i primi organismi fotosintetici e questo porta alla comparsa dell’ossigeno, importante perché permette la colonizzazione delle terre emerse da parte degli organismi viventi che fanno la respirazione cellulare.
1 miliardo di anni fa compaiono i primi organismi eucarioti, mentre 700 milioni di anni fa ci sono le prime forme marini di pluricellulari.
570 milioni di anni fa inizia l’era paleozoica con l’esplosione di forme viventi. Il paleozoico inferiore è caratterizzato dalla composizione dei continenti in un supercontinente meridionale, la GONDWANA formata da cratoni e sulla linea dell’equatore dai continenti che ora sono quelli settentrionali.
Il Nord America e Europa chiudono l’oceano protoatlantico e verso la fine del paleozoico inferiore (400 milioni di anni fa) per collisione dei due continenti si ha l’orogenesi caledoniana.
L’evoluzione continua e accanto agli invertebrati compaiono i primi vertebrati, che sono pesci corazzati. Nel Siluriano compaiono le prime piante vascolari.
Nel paleozoico superiore i continenti riprendono ad avvicinarsi fino a formare la Pangea dando origine alla orogenesi ercinica, poi verso la fine dell’era il grande continente si apre dando origine al mare TETIDE.
Avvengono inoltre cambiamenti climatici notevoli perché quando i continenti erano staccati c’erano molte coste che risentivano di un clima oceanico, ora sono presenti catene montuose e aumentano le zone continentali, perciò il clima si fa più secco.
Inoltre cambia anche il flusso delle correnti e la circolazione dell’aria che genera venti.
Con il cambiamento degli ambienti cambiano anche gli organismi viventi. Dai pesci corazzati si passa ai pesci ossei e cartilaginei e poi agli anfibi, che trovano fino al Carbonifero ambienti umidi dominati da foreste di conifere.
Verso la fine dell’era cambiano ancora le condizioni climatiche e scompaiono le foreste che vanno a dare origine al carbone. Il clima è secco e gli anfibi lasciano il posto ai rettili.
Avviene una crisi biologica che segna il passaggio all’era mesozoica. Dal punto di vista geologico la Pangea si smembra e quindi non avvengono orogenesi, mentre dal punto di vista biologico il cambiamento di condizioni ambientali portano alla ricomparsa di alcuni organismi come i coralli e le ammoniti e sono padroni della colonizzazione delle terre emerse i grandi rettili.
Verso la fine dell’era cominciano ad evolversi anche gli uccelli e i mammiferi. Qualcosa di strano succede e comporta la sparizione dei rettili, forse a causa di un meteorite perché sono state trovate rocce contenenti IRIDIO.
Nell’era cenozoica si assiste all’evoluzione dei mammiferi che assumono le sembianze attuali, così come le piante che ormai sono angiosperme e colonizzano tutto il pianeta.
La litosfera assume l’aspetto attuale e per collisione di due placche si ha l’orogenesi alpino-himalayana che è tuttora in corso.
L’era cenozoica finisce circa 1,8 milioni di anni fa con la comparsa dell’uomo. Inizia l’ultima era, la neozoica. La flora e la fauna sono le stesse di ora.
Il fenomeno principale che avviene in questo spazio di tempo sono la glaciazioni. Altre sono avvenute in epoche precedenti, ma abbiamo testimonianze solo di queste ultime, attraverso il paesaggio che è stato modificato.
Nell’era neozoica si sono verificate numerose glaciazioni, ma le più importanti sono 5:
DONAU che prende il nome dal Danubio, GUNZ, MINDEL, RISS, WURM che prendono il nome da città tedesche.
Esistono delle cause astronomiche che possono spiegare le glaciazioni, legate ai moti millenari della Terra che portano una diminuzione dell’insolazione. Questo fatto favorisce cambiamenti del clima e quindi la formazione di ghiaccio.
Esistono però anche cause geologiche: infatti la formazione di nuove montagne di notevole altezza hanno portato la formazione della neve che ha provocato un abbassamento della temperatura.
Hanno influito inoltre anche gli spostamenti dei continenti che hanno assunto latitudini maggiori.
I ghiacci attuali sono i residui dei ghiacciai quaternari che erano molto più estesi.
Il ghiacciaio è in movimento perché sopra il limite delle nevi perenni la neve non si scioglie nel periodo estivo. Questo limite varia dalla latitudine e dalle quote. Le quote maggiori si trovano ai tropici e raggiungono i 6000m., all’equatore la quota è di 4000m.
Al di sopra di questo livello le precipitazioni nevose non si sciolgono completamente e avviene l’accumulo di neve anno dopo anno.
La neve più vecchia si trasforma in ghiaccio, i fiocchi si compattano e si fondono dando origine all’acqua di fusione che chiude i vuoti. Si passa quindi alla formazione del nevaio e poi del ghiacciaio vero e proprio.
Parte della neve può scendere a quote basse sotto forma di valanga, la quale ha origine o per la mancanza di equilibrio gravitazionale o a causa di fenomeni climatici che provocano la fusione degli strati superficiali.
Ai poli si può avere la formazione di ghiacciai per solidificazione dell’acqua marina che forma la banchisa. Il sale presente nell’acqua fa abbassare il punto di fusione che quindi solidifica a basse temperature.
Il ghiacciaio è formato da due parti: un bacino collettore che è una zona di alimentazione , una zona concava del territorio nella quale si accumula la neve; e un bacino ablatore che si trova quando il ghiacciaio scende sotto il limite delle nevi perenni e c’è presenza di fusione.
La parte anteriore del ghiacciaio si chiama fronte o bocca e da questo può uscire un torrente alimentato dall’acqua di fusione.
I ghiacciai si possono suddividere in tre tipi in base alle proprietà fisiche.
Ci sono i ghiacciai polari freddi che sono come il polo sud parti di continente coperti da una calotta, dove per la temperatura che non sale più dello zero non avviene mai fusione.
I ghiacciai temperati o caldi risentono di estati calde e quindi si ha fusione abbondante.
I ghiacciai intermedi o subpolari hanno una fusione intermedia, molto modesta legata alla latitudine e alla quota.
Per quanto riguarda la morfologia esistono:
calotte, che sono distese di ghiaccio che ricoprono parte del continente e arrivano fino al mare.
Qui il ghiacciaio risente dei movimenti del mare: onde, maree e correnti. Le onde sono moti costanti dovuti alla presenza del vento che comprime l’acqua creando le cosiddette onde forzate, mentre se si propagano da quelle forzate si chiamano libere.
Le maree sono moti periodici e dipendono da cause astronomiche dovute alla forza di attrazione della luna. Le correnti invece sono moti irregolari e sono flussi d’acqua con caratteristiche fisiche e chimiche diverse dall’acqua dell’oceano.
Questi moti fratturano il ghiacciaio che si immerge nel mare dando vita agli ICEBERG, montagne di ghiaccio che scendono a latitudini più basse e si sciolgono.
Il ghiacciaio scandinavo è una calotta che ricopre un altopiano e ha lingue che scendono nelle valli.
I ghiacciai alaskiani o pedemontani invece hanno valli parallele e da ogni valle scende una lingua del ghiacciaio che arrivate a valle si fondono perché hanno le stesse caratteristiche chimico-fisiche simili. Se invece queste sono diverse nella fascia pedemontana le lingue non fondono ma scorrono una sull’altra: si ha un ghiacciaio himalayano o a vallivi composte.
Il ghiacciaio alpino ha un bacino collettore (circo) a forma di tazza e quello ablatore molto lungo tanto che si parla di lingua glaciale.
Il ghiacciaio pirenaico invece è formato da raccolte di ghiaccio in cavità della roccia.
Il nevato è una via di mezzo tra il campo innevato e il ghiacciaio.
Il ghiacciaio scivola sulla superficie sulla quale insiste con una velocità che dipende dalla massa, dalla pendenza delle rocce, dalla natura litologica delle rocce (quelle meno erodibili frenano), dalla presenza di acqua di fusione e dalle caratteristiche plastiche del terreno.
Se si fa una sezione trasversale di un ghiacciaio si nota che la parte che si muove di più è quella centrale perché quelle laterali e inferiori hanno a che fare con l’attrito.
Le conseguenze del movimento sono i crepacci, spaccature che isolano enormi blocchi detti seracchi.
I ghiacciai con il loro passaggio modificano i paesaggi.
Come tutti i fenomeni esogeni anche i ghiacciai hanno una triplice azione: erosione, trasporto e accumulo. L’erosione può avvenire per estrazione o esarazione.
Scivolando sulle rocce che hanno caratteristiche diverse e alcune fessure l’acqua di fusione può penetrare in queste fessure. Se l’acqua ghiaccia all’interno della roccia aumentando di volume favorisce la frantumazione delle rocce e il ghiacciaio asporta i frammenti. E’ il fenomeno dell’estrazione.
L’esarazione è legata all’azione meccanica del ghiacciaio sulle rocce. Il ghiacciaio modella le rocce che con il tempo assumono forme caratteristiche. Le rocce montonate per esempio assumono la forma convessa.
Se il ghiacciaio trasporta frammenti rocciosi resistenti questi possono striare le rocce sottostanti, che poi risultano quindi striate.
Anche il territorio assume forme caratteristiche: tipica è la forma a U della valle glaciale che viene scavata anche sui bordi e ha un fondo ampio.
Se si fa un profili longitudinale del territorio si notano zone sopraelevate dette SOGLIE caratterizzate da rocce dure e zone scavate dette OMBELICHI formate da rocce tenere.
Le porzioni più piccole di un ghiacciaio che ha molte diramazioni lasciano delle valli poco profonde dette VALLI PENSILI.
Alcuni frammenti asportati dal ghiacciaio vengono inglobati in esso o trasportati sulla superficie. In questo secondo caso i frammenti lasciati sono i massi erratici, frammenti grassi di composizione litologica diversa dalla zona in cui si sono formati.
Le morene invece sono depositi di materiale di diversa origine e di diversa grandezza. Se si trovano al fronte del ghiacciaio prendono il nome di morene frontali se sono ai lati sono morene laterali.
Le morene mediane si trovano alla confluenza delle lingue del ghiacciaio.
Gli ANFITEATRI MORENICI sono morene disposte a gradoni, il gradone più ampio e più vecchio. Questo ci fanno vedere come si è ritirato il ghiacciaio.
I torrenti alimentati dalle acque di fusione erodono le morene e trasportano il materiale e lo depositano. Questi residui sono detti FLUVIOGLACIALI.
Nelle zone temperate in cui sono presenti in prevalenza rocce calcaree, l’acqua meteorica agisce esercitando un’azione erosiva non solo meccanica, ma anche chimica.
Infatti l’acqua piuttosto acida perché contenente anidride carbonica agisce secondo la formula chimica CaCO3 + CO2 + H2O = Ca (HCO3)2 sciogliendo il carbonato di calcio per dare una soluzione contenete bicarbonato di calcio.
Altre condizioni che rendono solubile il carbonato di calcio sono la temperatura, che aumentando rende il sale meno solubile, la pressione, le variazioni di pH e la quantità di solvente, infatti se l’acqua evapora diminuisce la quantità di soluto.
Il fenomeno del carsismo prende il nome dal paesaggio che si crea per queste reazioni, che appunto il paesaggio carsico, simile a quello che si ritrova negli altopiani del Carso, in Friuli.
Questo tipo di paesaggio è caratterizzato da la mancanza di un reticolato idrografico e quindi di acque superficiali e la presenza in profondità di grotte.
Il carsismo dà origine a forme epigee, come le doline e a forme ipogee, come le grotte.
Le doline sono depressioni a forma di scodella poco profonde perché si allargano in ampiezza.
Infatti nel calcari sono presenti in minima parte dei residui di argilla che non si sciolgono ma si depositano sul fondo chiudendo quella fessura (inghiottitoio) che unisce la dolina alle forme in profondità. Questo strato di terre rosse impermeabili protegge il fondo della dolina ma non i bordi che continuano ad essere sciolti accrescendo il diametro della dolina stessa.
Le terre rosse permettono anche l’impiantarsi di un suolo oppure la raccolta di acqua sotto forma di laghetti carsici temporanei.
Con il tempo due doline possono anche confluire a formare concavità più ampie. Se si uniscono due doline si ha l’uvala, se sono più di due il polje.
Negli altopiani carsici si possono trovare alcune rocce che hanno una natura litologica differente dal calcare e sono più resistenti all’azione dell’acqua, queste non si sciolgono e danno vita a dei pilastri detti hum.
Se l’acqua scorre su calcari inclinati si formano i solchi paralleli separati da porzioni di roccia di diversa forma. Tanti solchi paralleli danno vita ai campi solcati o carreggiati.
Questi solchi sono considerati microforme insieme alle vaschette di corrosione che si formano sotto una copertura temporanea di acqua stagnante.
Se l’acqua trova delle fessure nei calcari e penetra in profondità scava le grotte. Queste presentano due elementi: i POZZI, cavità verticali, subcilindriche e le GALLERIE che si sviluppano in senso longitudinale.
L’azione erosiva è quindi chimica, quella di trasporto consiste nella soluzione in cui è presente il carbonato di calcio, mentre l’azione di deposito si riscontra nella formazioni di rocce chimiche come l’alabastro o le stalattiti e le stalagmiti.
Queste si formano a causa della caduta della goccia d’acqua che cadendo per l’impatto con il suolo perde l’anidride carbonica e quindi abbandona il carbonato di calcio.
Queste formazioni hanno funzione di riempimento della grotta.
Oltre all’azione meccanica dell’acqua la grotta può subire le azioni del crollo, soprattutto se è una grotta di grandi dimensioni.
Nelle grotte esiste un ecosistema particolare al quale si sono adattati particolari forme di vita; il pericolo per questo ecosistema è rappresentato dai turisti che cambiano alcune caratteristiche nell’equilibrio di questo ambiente, come il calore e una forte carica batterica.
IL PIANETA TERRA
I pianeti a differenza delle stelle hanno dimensioni modeste e al loro interno non avvengono reazioni di fusione nucleare.
La Terra è uno dei nove pianeti del Sistema solare e ha una forma sferica. Ora determinare la forma della Terra non è più un problema dato che esistono delle fotografie che danno un’immagine precisa della forma.
Nei tempi antichi però questo era un problema; alcune scuole greche credevano che la terra fosse tonda, poi nel medio Evo si ritorna alla concezione della Terra piatta e poi con il ‘600 e la rivoluzione scientifica avvengono importanti scoperte.
Esistono delle prove che confermano la forma convessa della superficie terrestre. Per esempio se ci si trova su una pianura tutta la superficie visibile si può racchiudere entro una circonferenza e se cambiamo quota il nostro orizzonte si alza o si abbassa in base al nostro cambiamento.
Inoltre se si misura l’altezza di una stella spostandosi lungo un meridiano l’angolo che i raggi formano con l’orizzonte variano a seconda della longitudine.
Per esempio la stella polare verso il polo nord aumenta la sua altezza fino a essere perpendicolare al polo (zenit) e ad annullarsi all’equatore.
Se noi ci troviamo in riva al mare e una barca a vela si avvicina dall’orizzonte, spuntano prima le vele e poi lo scafo e viceversa se si sta allontanando.
Un’altra prova è l’ombra della Terra sulla luna durante le eclissi.
Una preoccupazione è di trovare un solido che faccia da modello della Terra, ma non ne esiste uno che raffiguri la Terra in modo perfetto. Si opta quindi per due modelli. Il primo è l’ellissoide di rotazione, formato dalla rotazione di un’ellisse intorno al suo asse minore. Questo modello è usato per gli studi cartografici, cioè per rappresentare ciò che si trova sulla superficie convessa su una carta bidimensionale.
Come conseguenza al suo moto di rotazione la Terra è schiacciata ai poli.
L’altro modello è il geoide, ottenuto matematicamente. E’ infatti il solido i cui punti della superficie si trovano tutti sulla perpendicolare del filo a piombo.
Questo solido si ottiene portando il livello del mare ai piedi dei rilievi e spianando gli stessi.
La geodesia è la scienza che studia la forma e la dimensione della Terra e sta cercando un solido che ne rappresenti la forma effettiva, cioè un ellissoide con i rilievi.
Per quanto riguarda le dimensioni della Terra il primo che arrivò ad una misura quasi precisa del meridiano fu Eratostene di Cirene nel III secolo a.C. Egli credeva che Alessandria d’Egitto e Siene fossero sullo stesso meridiano e conosceva la loro distanza che era di 5000 stadi.
Inoltre sapeva che al 21 giugno i raggi solari sono perpendicolari su Siene che si trova sul tropico del Cancro e che formano un angolo a, misurato con lo scafe, con la verticale su Alessandria.
I raggi che giungono dal Sole possono considerarsi paralleli perché il Sole si trova a notevole distanza quindi questo angolo deve essere uguale a quello formato da Siene con il centro della Terra.
Con una proporzione Eratostene arriva alla conclusione che il meridiano è lungo 39375 Km solo 634 Km più piccolo del reale.
Oggi le lunghezze sono calcolate con la triangolazione geodetica basata sulla goniometria.
Per avere misure precise bisogna aspettare la fine del 1600 quando Picard usando lo stesso metodo arriva a conclusioni precise.
Se si considerano archi di meridiano di un grado questi diventano più lunghi procedendo verso i poli e questo è dovuto alla forma non sferica della Terra che è prova e conseguenza del moto di rotazione.
Lo schiacciamento polare è dimostrato anche con dati fisici da Richer, il quale costruisce un pendolo che a Parigi ha un periodo di un secondo. Poi si abbassa di latitudine e si accorge che verso l’equatore il periodo di oscillazione aumenta. Dato che il periodo dipende dalla lunghezza del pendolo e dalla forza di gravità è evidente che è quest’ultima a essere diminuita. Questa è una prova che la Terra non è sferica ma è schiacciata ai poli dove essendo minore la distanza con il centro della Terra la forza di gravità è maggiore.
La misura del meridiano è di 40000 Km ed è usato per stabilire il metro, che è definito proprio come la quarantamilionesima parte del meridiano.
Il metro verrà poi definito in modo ottico, come la distanza percorsa nel vuoto dalla luce in una frazione di secondo.
Sulla Terra viene costruito un reticolato geografico, come sistema di riferimento composto da meridiani e paralleli.
I meridiani sono tutte circonferenze massime che passano per i poli che dividono la sfera in piani contenenti l’asse. Ci sono 180 meridiani completi.
I paralleli sono piani perpendicolare all’asse di rotazione e uno solo è massimo, l’equatore, che passa per il centro dell’asse.
Ci sono 90 paralleli nell’emisfero boreale e 90 in quello australe.
Queste circonferenze immaginarie permettono di determinare le coordinate geografiche di un punto attraverso la misura della latitudine e della longitudine.
La latitudine è la distanza angolare di un punto dall’equatore e può essere nord o sud. E’ l’ampiezza dell’angolo al centro della terra che sottende l’arco di meridiano che congiunge il punto con l’equatore. Può assumere tutti i valori da zero a 90.
La longitudine è la distanza angolare di un punto dal meridiano di riferimento (Greenwich) misurata sull’arco di parallelo passante per quel punto. Può assumere valori da 0 a 180 e può essere est o ovest.
Anche l’altitudine è importante come coordinata ed è la quota rispetto al livello del mare.
I movimenti della Terra sono piuttosto complessi tanto che vengono divisi in movimento di rotazione, che è quello intorno all’asse, rivoluzione che è quello intorno al sole, moti millenari che avvengono in periodi lunghi e sono legati all’attrazione del sole e della luna e sono perturbazioni dei moti precedenti. Inoltre ci sono i moti di traslazione con il Sistema solare che si sposta verso la Costellazione di Ercole e quello di recessione della Galassia.
Il moto di rotazione va da ovest verso est con un periodo di 23 ore, 56 minuti e 4 secondi, detto giorno sidereo.
La velocità della Terra si divide in velocità angolare che è uguale a qualsiasi latitudine tranne che per i poli perché girano su se stessi e la velocità lineare che è maggiore alle basse latitudini e massima all’equatore.
Una conseguenza di questo moto è la apparente forza centrifuga che è maggiore all’equatore e diminuisce verso i poli.
Anche la forza di gravità cambia la sua intensità ed è maggiore ai poli e minore all’equatore.
Il periodo di rotazione della Terra tende ad allungarsi, quindi la Terra tende a rallentare di 2 millesimi di secondo per secolo. Questo avviene a causa dell’attrazione della luna.
La luna ha un periodo di 27 giorni per fare la rivoluzione intorno alla Terra. L’attrazione reciproca fa in modo che la Terra più veloce faccia accelerare la luna e la luna faccia rallentare la Terra.
In alcuni periodi la distanza tra la luna e la Terra aumenta e la luna diventa più veloce perché deve percorrere una traiettoria maggiore. Si arriverà forse ad una situazione di equilibrio durante il quale il mese lunare sarà lungo come un giorno, perciò la luna mostrerà la stessa faccia alla stessa parte della Terra.
Il moto di rivoluzione intorno al Sole è descritto dalle tre leggi di Keplero scoperte le prime due nel 1609 e la terza nel 1619.
La prima legge sostiene che i pianeti descrivono orbite ellittiche intorno al Sole che occupa uno dei due fuochi dell’ellissi. La distanza tra Sole e pianeta allora varia e si individuano due punti che per la Terra sono il perielio, il punto più vicino al Sole e il afelio, il più lontano.
Se il sole occupa uno dei due fuochi allora tutte le orbite hanno un fuoco in comune anche se non sono complanari.
La seconda legge esprime la velocità di rivoluzione come il raggio vettore che unisce il centro del Sole con il centro del pianeta formando aree equivalenti, ma non della stessa forma, in intervalli di tempo uguali. Questo perché la Terra si muove più velocemente vicino al perielio e più lentamente in prossimità dell’afelio.
La terza legge dice che il quadrato dei periodi di rivoluzione e i cubi delle distanza medie dal sole sono proporzionali. Il periodo di rivoluzione è più lungo se ci si allontana dal sole.
Newton con la legge di gravitazione universale del 1687 cerca di spiegare questi moti. La legge dice che la forza di gravità e quindi l’attrazione di corpi posti ad una certa distanza è ciò che dà vita ai moti.
Il periodo di rivoluzione della Terra è di 365 giorni, 6 ore, 9 minuti, 10 secondi, chiamato anno sidereo.
Esistono prove astrologiche e fisiche della rotazione terrestre. L’osservazione del cielo ci dà l’idea di un moto apparente diurno di un corpo celeste come il sole con la sfera celeste.
Di notte si nota invece il moto lento delle stelle diverso alle diverse latitudini.
Bisogna o ammettere che si muovono le stelle con la sfera celeste, ma esse sono talmente lontane e quindi dovrebbero avere velocità superiori alla luce, questo porta alla conclusione che è la Terra che ruota. Un’altra prova è l’analogia con gli altri pianeti.
Le prove fisiche derivano dall’esperienza della caduta dei gravi di Guglielmini alla fine del ‘700.
Da un’altezza di 100 m il grave non cade sulla perpendicolare, ma spostato verso est di 17 mm.
Il corpo in cima alla torre partecipa al moto di rotazione e la sua velocità lineare è superiore che sulla superficie. Il corpo per il principio di inerzia tende a mantenere il suo stato e quindi raggiunta la superficie il corpo avrà una velocità a quella che dovrebbe avere cadendo.
Nel 1850 Foucault costruisce un pendolo lungo 69 m con una massa di 30 Kg. Sotto il peso viene attaccata un’asticciola che tracci linee sulla sabbia. Dopo alcune ore l’asticella disegna segmenti che sembrano indicare una rotazione in senso orario del piano del pendolo e quindi antiorario del pavimento. Per fare un giro completo a Parigi ci vogliono 32 ore, al polo 24, mentre all’equatore il suo asse non si sposterebbe.
Un’altra prova è la misura della forza di gravità che varia con la latitudine e si spiega con la forma della Terra e perché diminuisce ai poli la forza centrifuga.
La legge di Ferrel dice che un corpo libero di muoversi dall’equatore al polo nord subirebbe una deviazione della sua direzione verso destra dell’osservatore, mentre se andasse verso il polo sud si sposterebbe verso la sinistra dell’osservatore.
Se un corpo nell’emisfero nord parte da un punto a bassa latitudine dove la velocità lineare è maggiore e si sposta alle alte latitudine dove la velocità lineare è minore, tende a mantenere la sua velocità e quindi arriva in anticipo. Se si sposta in direzione opposta arriverà in ritardo. In entrambi i casi il corpo si sarà spostato verso la destra dell’osservatore per la forza apparente di Coriolis.
Se al contrario lo spostamento di un corpo avviene nell’emisfero meridionale avviene la stessa cosa, ma il corpo sarà deviato verso sinistra.
Una conseguenza del moto di rotazione è l’alternarsi del dì, periodo di illuminazione, e della notte, periodo di oscurità.
La parte di Terra in ombra è divisa da quella illuminata dal circolo di illuminazione, che non è una linea definita perché il passaggio dal dì alla notte non è brusco ma graduale grazie alla presenza dell’atmosfera. Il circolo di illuminazione coincide con un meridiano solo in due giorni, i due equinozi, quando il giorno ha la stessa durata della notte.
Oltre a percorrere un cammino diurno intorno alla Terra il Sole sembra percorrere le costellazioni dello zodiaco descrivendo una circonferenza intorno alla Terra detta eclittica.
Bisogna sostenere quindi o che esiste un moto di rivoluzione del Sole oppure ammettere il moto di rivoluzione terrestre intorno alla Terra.
Un’altra prova del moto di rivoluzione è l’analogia con gli altri pianeti.
Ancora la periodicità delle stelle cadenti che si vedono quando la Terra torna in un punto dove sono presenti questi frammenti di comete, ne interseca l’orbita e attrae verso sé le meteoriti.
Una prova ulteriore è l’aberrazione della luce proveniente dagli astri.
Se si vuole osservare una stella non bisogna puntare l’apparecchio sulla verticale al corpo, ma su una linea immaginaria che forma con la verticale un angolo di aberrazione.
Questo perché nel tempo che la luce impiega ad arrivare allo strumento la Terra si è spostata di uno certo spazio.
Un’altra prova del moto di rivoluzione è l’alternarsi delle stagioni, che portano diverse condizioni di illuminazione del pianeta e diversità di temperatura. Questa è una conseguenza del fatto che la Terra ha un asse non perpendicolare all’orbita, ma inclinato di 66°33’.
Se il piano dell’orbita coincidesse con quello equatoriale si avrebbe sempre la stessa stagione, le uniche differenze si troverebbero a causa delle latitudini.
Ci sarebbe una differenza quando la Terra è più vicina all’afelio da quando è vicina al perielio.
Il piano dell’eclittica forma con il piano equatoriale un angolo di 23°27’.
Durante i solstizi la Terra si trova rispetto al Sole o sopra o sotto l’eclittica; cioè per sei mesi si trova sopra il piano dell’equatore celeste e il 21 giugno il Sole è nel punto più alto, e per gli altri sei mesi si trova sotto il piano e il 22 dicembre nel punto più basso.
Gli equinozi sono punti in cui l’orbita della Terra interseca il piano equatoriale. In questo caso l’asse di rotazione risulta essere perpendicolare al piano dell’orbita.
Il 21 marzo e il 23 settembre i raggi solari sono perpendicolari all’equatore e aumentano la loro inclinazione andando verso i poli.
La quantità di energia che arriva sulla superficie dipende dalla lunghezza del dì e dall’inclinazione dei raggi. Il circolo di illuminazione coincide con un meridiano solo ai due equinozi e le differenze di illuminazione dipendono dall’inclinazione dei raggi.
La linea dei solstizi è perpendicolare a quella degli equinozi, ma non coincide con la linea degli apsidi, che unisce l’afelio al perielio.
Al 21 giugno, solstizio d’estate, l’insolazione è perpendicolare al Tropico del cancro, parallelo di latitudine 27°23’ nord.
La circonferenza di illuminazione è tangente ai due paralleli del circolo polare artico e a quello antartico. Sopra il circolo artico l’illuminazione dura 24 ore, mentre in quello antartico c’è oscurità.
All’equinozio di primavera anche al polo il dì è lungo come la notte, ma man mano si prosegue a latitudini inferiori è come se l’asse si inclinasse e le regioni intorno al polo nord cominciano a rimanere sempre più illuminate, fino al solstizio d’estate.
Le condizioni all’equinozio di autunno sono analoghe a quelle dell’equinozio di primavera.
Al solstizio di inverno invece i raggi del Sole sono perpendicolari al Tropico del Capricorno nell’emisfero sud. La circonferenza di illuminazione è tangente ai circoli polari a le zone dell’antartico sono illuminate per 24 ore.
Attualmente le stagioni hanno durata che dipende dalla velocità di rivoluzione della Terra. Nell’emisfero nord le stagioni più lunghe sono la primavera e l’estate perché la Terra è più vicina all’afelio ed è più lenta. Nell’emisfero sud avviene il contrario.
A nord si gode di estati fresche perché la Terra è più lontana dal Sole, mentre avviene il contrario nell’emisfero australe.
Quelle descritte sono le stagioni astronomiche.
Le stagioni meteorologiche tengono conto dell’insolazione e del comportamento della Terra verso l’energia, e iniziano con il primo giorno del mese che contiene il solstizio o l’equinozio.
La Terra viene divisa dai paralleli notevoli in zone astronomiche caratterizzate da particolari tipi climatici.
C’è una zona torrida compresa tra i due tropici caratterizzata da climi MEGATERMICI dove le differenze stagionali non sono molto evidenti perché la temperatura non varia per la poca inclinazione dei raggi. Le stagioni sono stabiliti dal regime pluviometrico.
Le fasce temperate che sono boreale e australe sono comprese tra i due Tropici e i circoli polari.
A latitudini minori il clima è MESOTERMICO, mentre a latitudini maggiori il clima è MICROTERMICO.
Le ultime fasce sono le calotte che risentono di clima NIVALE.
La diversa durata tra il giorno sidereo e quello solare è evidente se misuriamo la lunghezza del giorno prendendo come riferimento il sole o una stella.
Se si calcola il giorno in un punto sulla superficie prendendo come riferimento una stella, quando la stella riappare il giorno dopo la durata del giorno è quella del periodo di rotazione, cioè il giorno sidereo. Se si prende il sole come riferimento dopo la durata del giorno sidereo il Sole non si trova alla posizione di inizio, ma per avere il sole allo zenit è necessario aspettare circa 4 minuti, a causa del movimento di rivoluzione. Questi minuti non sono precisi per la II^ legge di Keplero.
Il giorno solare ha durata di circa 24 ore, è più corto d’estate, perché la Terra è più vicina all’afelio dove la velocità diminuisce, mentre d’inverno è più lungo.
Esistono altri moti oltre a quelli principali, per esempio i moti millenari che avvengono nel giro di migliaia di anni.
Possono essere considerate le cause astrologiche delle glaciazioni del quaternario; i moti non modificano l’insolazione, ma la distribuzione dell’insolazione con la latitudine.
Uno di questi moti è la PRECESSIONE LUNI-SOLARE che dipende dalle perturbazioni gravitazionali del Sole e della Luna sulla Terra.
L’attrazione del sole e della luna aumentano il rigonfiamento equatoriale e tentano di raddrizzare l’asse terrestre, ma la Terra reagisce a causa della velocità di rotazione.
L’asse descrive quindi in senso orario due coni che hanno il vertice nel centro della Terra. Il periodo di questa rotazione è di 26000 anni.
Ci sono inoltre delle NUTAZIONI che rendono ondulata la traiettoria dell’asse e sono dovute al fatto che il Sole cambia posizione. Il periodo di queste oscillazioni è di 18,6 anni.
La conseguenza di questo moto è il fatto che non si potrà più utilizzare la stella polare come riferimento per il nord.
Se l’asse terrestre gira, girano in senso anche la linea degli equinozi e quella dei solstizi.
La posizione degli equinozi e dei solstizi quindi cambiano posizione sull’orbita.
Anche la linea degli apsidi ruota, ma in senso antiorario con un periodo di 117000 anni.
I due movimenti si sommano e la conseguenza è la riduzione del periodo di rotazione degli equinozi che arriva a 21000 anni. Questi moti sono detti di PRECESSIONE DEGLI EQUINOZI e provocano un accorciamento dell’anno perché l’equinozio di primavera è più corto di 20 minuti come posizione sull’orbita.
Il periodo di tempo che l’equinozio impiega a fare un giro completo è detto anno solare.
Altri moti millenari sono la variazione di eccentricità dell’orbita e il mutamento dell’inclinazione dell’asse terrestre.
Quando l’orbita assume la massima eccentricità e la posizione degli apsidi è quella attuale si hanno inverni miti e estati fresche, quindi la neve ad alte quote non si scioglie favorendo la formazione di ghiacciai.
Fra 10500 anni sempre con la massima eccentricità si ha il solstizio d’inverno con la terra vicina all’afelio per cui la posizione sfavorisce le glaciazioni.
Si avrebbero delle estati più corte ma più calde.
Se invece l’eccentricità è minima la distanza tra la Terra e il Sole aumenta in perielio e diminuisce in afelio. Il periodo più favorevole alla glaciazione e quello con la minima eccentricità e gli equinozi opposti. Quando l’asse di rotazione terrestre è meno inclinato l’insolazione è distribuita in modo più uniforme, mentre quando è più inclinato la durata del dì si differenzia molto con la latitudine.
La luna è l’unico satellite naturale della Terra e le sue dimensioni sono notevoli tanto che si parla di un sistema di due pianeti.
La forma della luna è quella di un ellissoide a tre assi. La sua densità è minore di quella della Terra ed è simile a quella della crosta: circa 3.3 g/cm3. La forza gravitazionale è circa 1/6 di quella terrestre e questo spiega la mancanza di acqua e atmosfera.
La mancanza di atmosfera coincide con la mancanza di agenti esogeni che modellano la superficie, che si presenta molto accidentata a causa di crateri vulcanici e d’impatto.
Inoltre per la stessa causa esiste un’elevata escursione termica, nell’emisfero illuminato si raggiungono i 100°C mentre in quello oscuro al di sotto dei –100°C.
La superficie della luna è formata principalmente da basalti, per questo il potere riflettente della luna è solo del 7%, perché le rocce scure assorbono tutta la luce.
In realtà esiste un unico moto complesso della luna, ma per comodità vengono suddivisi nei moti principali: rotazione, rivoluzione, traslazione con la Terra intorno al Sole, traslazione con il Sistema solare verso la costellazione di Ercole e il moto di recessione della Galassia.
Il moto di rotazione della luna intorno al proprio asse ha un periodo che rappresenta il mese sidereo di 27 giorni, 7 ore, 43 minuti e 12 secondi.
Questo periodo è lo stesso della rivoluzione per cui la luna rivolge sempre la stessa faccia alla Terra e a volte questa faccia è visibile e a volte no (novilunio).
In realtà noi vediamo il 60% della superficie lunare grazie alle librazioni che sono vibrazioni che possono essere vere o apparenti. Quelle vere sono dovute all’attrazione gravitazionale della Terra soprattutto a livello dell’equatore. La luna mentre ruota mantiene il suo asse di rotazione inclinato, così da mostrare anche uno dei poli.
Mentre la luna ruota, si muove anche la Terra producendo delle librazioni apparenti che ci permettono di vedere altra parte della superficie lunare.
Il moto di rivoluzione lunare intorno alla Terra si svolge intorno ad un orbita ellittica.
Il punto di maggior vicinanza alla Terra è il perigeo, quello di maggior lontananza è l’apogeo.
L’asse di rotazione della Luna è inclinato di 5° rispetto alla perpendicolare al piano di rotazione.
La linea dei nodi unisce i due punti di intersezione tra il piano di rivoluzione della luna e l’ellittica terrestre.
Essendo la Terra molto grande rispetto la luna si immagina che il baricentro tra i due corpi che si attraggono sia all’interno della Terra.
Se misuriamo il mese sidereo con riferimento ad una stella che non sia il Sole si trova la lunghezza del periodo di rotazione, ma se si misura con riferimento il Sole questa misura risulta più lunga di 2 giorni (mese sinodico). Questo avviene perché mentre la luna si muove ruota anche la Terra intorno al Sole per cui per ritrovare l’allineamento tra i tre corpi la luna deve compiere ancora un tratto dell’orbita.
In realtà la luna si muove con la Terra per cui non riesce mai a completare l’ellittica a causa della traslazione. La curva descritta è quindi l’Epicicloide che interseca circa 25 volte l’orbita terrestre e presenta sempre concavità verso il Sole.
Il moto della regressione della linea dei nodi provoca le nutazioni terrestri dovute appunto ad un moto più lento della luna. La regressione dei nodi avviene in senso orario e per avere un giro completo ci vogliono 18,6 anni.
A causa delle FASI LUNARI l’aspetto della luna cambia continuamente perché non tutto l’emisfero che si mostra è illuminato. Le varie fasi si presentano ciclicamente durante il mese sinodico ma non sempre nello stesso giorno a causa delle sfasature con il calendario.
Quando la fase si presenta alla stessa data si parla di CICLO AUREO e questo si ha ogni 235 lunazioni e serve a prevedere le varie lunazioni e viene utilizzato per fissare la data della pasqua che cade la prima domenica dopo il primo plenilunio.
I tre corpi luna sole terra possono essere allineati dando origine alle due fasi dette sizigie oppure disposte nei vertici di un angolo retto, con la terra nel vertice, e si hanno così le quadrature.
Quando la luna è in congiunzione o opposizione e quindi si trova tra la Terra e il sole, l’emisfero illuminato è quello nascosto alla terra. La luna si intravede a causa della luce cinerea. Si ha così la fase di NOVILUNIO o luna nuova.
Con il passare dei giorni appare uno spicchio sempre più grande chiamato FALCE che ha la gobba verso ponente. Quando la parte di luna illuminata è metà si ha la fase detta I Quarto e la posizione dei corpi è in quadratura.
La falce cresce sempre di più fino a che non si ha l’allineamento Sole – Terra – Luna e si ha la fase di LUNA PIENA o PLENILUNIO.
Da questo punto in poi si ha una falce che decresce (luna calante) fino alla fase dell’ultimo QUARTO quando i corpi sono in quadratura.
Ricompare la falce con la gobba rivolta a levante e poi inizia una nuova lunazione.
Nell’arco del mese sinodico varia l’ora in cui la luna sorge e tramonta.
|
SORGE |
TRAMONTA |
LUNA NUOVA |
Ore 6 |
Ore 18 |
I^ QUARTO |
Ore 12 |
Ore 24 |
PLENILUNIO |
Ore 18 |
Ore 6 |
ULTIMO QUARTO |
Ore 24 |
Ore 12 |
La luna sorge con un ritardo di 50 minuti ogni giorno a causa della diversità del periodo di rivoluzione con quello di rotazione della terra.
Il fenomeno delle eclissi è legato alle diverse posizioni dei tre corpi durante l’anno.
Quando il sole illumina un corpo questo espone al sole solo un emisfero, mentre proietta dall’altra parte un cono d’ombra e un ventaglio di penombra.
L’eclissi di sole si ha quando la luna si trova tra il sole e la terra, mentre quella di luna quando la terra è tra il sole e la luna.
Per avere un’eclissi di sole è necessaria la condizione che i tre corpi siano allineati e la luna si deve trovare in prossimità di uno dei suoi nodi.
Durante l’eclissi di luna la terra proietta in cono d’ombra nascondendo la luna alla luce del sole.
Per avere un’eclissi totale o parziale è necessario che la luna sia in prossimità di un suo nodo perché la terra è di dimensioni maggiori rispetto alla luna. Queste eclissi sono piuttosto lunghe, circa un’ora e mezza, perché il cono è ampio e passa del tempo dal momento in cui la luna entra a quello in cui la luna esce.
Se la luna è interessata dalla zona di penombra si ha un’eclissi di penombra.
Le eclissi di sole si hanno quando i corpi sono in congiunzione e la luna si trova in uno dei suoi nodi. E’ importante la distanza tra il sole e la luna perché il cono d’ombra della luna è piuttosto piccolo.
La luna quindi deve essere al PERIGEO. L’eclissi totale di sole si vede solo da una piccola parte della superficie terrestre.
Le eclissi di sole sono importanti perché permettono di studiare la parte esterna del sole (cromosfera).
Le eclissi sono abbastanza frequenti, circa 2-7 nell’arco dell’anno; se sono 2 allora sono di sole, se sono 7 sono 5 di sole e 2 di luna.
Il ciclo di SAROS è il ciclo delle eclissi. Durante 223 lunazioni si verificano un certo numero di eclissi.
La luna presenta sulla sua superficie zone scure chiamate mari, che sono dei crateri enormi.
I crateri possono essere o d’impatto o vulcanici.
Fino a 40 Km di diametro sono crateri di origine vulcanica; da 40 a 240 Km di diametro sono detti CIRCHI e con un diametro di più di 240 Km sono mari o oceani d’impatto.
Questi ultimi si sono formati perché durante una fase della sua evoluzione la luna è stata interessata da un bombardamento meteorico. Infatti sopra i mari i satelliti vengono disturbati come se fossero attirati, perché ci sono alcune zone più dense dovute ai nuclei delle meteoriti (MASCONS).
I mari sono costituiti da basalti e ricoperti da polveri di spessore notevole chiamata REGOLITE, costituita da materiale vulcanico.
Sulla luna non c’è atmosfera e quindi non esistono agenti geomorfologici che cambiano la morfologia della luna, che quindi è simile a quando si è formata. L’unico agente deformante è il VENTO SOLARE, cioè un flusso di protoni e elettroni provenienti dal sole.
Sulla superficie lunare sono presenti TERRE ALTE formate dal rocce diverse da quelle terrestri cioè le ANORTOSITI. (L’anortite è un plagioclasio).
Esistono poi rocce effusive cioè le BRECCE o KREEP. Le anortositi sono le più antiche (4.6-4.1 miliardi di anni), mentre i basalti hanno in media 3 miliardi di anni.
I rilievi presenti sulla luna portano i nomi delle catene montuose terrestri.
I sismografi lasciati sulla superficie lunare testimoniano che la luna è attiva.
La sua struttura interna è analoga a quella terrestre anche se la litosfera è più spessa.
La storia geologica della luna attraversa sei fasi importanti. La sua formazione è avvenuta in modo autonomo in uno spazio vicino alla terra alla quale rimane legata.
Si costituisce per aggregazione di particelle residue alla formazione del Sistema solare. Quando le particelle si aggregano trasformano la loro energia cinetica in calore, così che inizialmente la luna era un corpo caldo e forse addirittura fuso.
Si passa quindi alla fase di raffreddamento con la disposizione dei materiale in base alle densità differenti e si ha la formazione delle anortositi.
La terza fase è rappresentata da una notevole attività vulcanica che porta alla formazione delle brecce. La quarta fase è caratterizzata dal bombardamento meteorico che lascia i crateri d’impatto. E la quinta invece è una nuova fase vulcanica favorita dalla rottura della crosta che porta alla formazione dei basalti.
La sesta fase che è quella attuale è un momento di quiescenza.
Per quanto riguarda l’origine della luna ci sono tre tesi superate che però hanno un valore storico.
La prima prende il nome di fissione e parte dal fatto che la terra e la luna abbiano densità simile della crosta. Quando la terra si era appena formata aveva un moto di rotazione così veloce che parte della litosfera si è staccata dal rigonfiamento equatoriale dando origine alla luna.
La seconda ipotesi è quella della cattura che prevede che la terra si sia formata in una qualche parte del Sistema solare e passando vicino alla terra sia stata catturata dalla forza gravitazionale.
La terza è quella dell’accrescimento che vede la formazione della luna dall’aggregazione di materiale inizialmente disposto intorno alla terra.
IL SISTEMA SOLARE
Il sistema solare è composto da una stella che è il Sole, 9 pianeti che in ordine di lontananza dal Sole sono: Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno, Plutone.
Tra Marte e Giove sull’orbita ellittica si trovano 1800 pianetini e asteroidi più alcuni satelliti.
Si trovano inoltre qualche migliaio di comete, che sono corpi formati in prevalenza da rocce e ghiaccio. Essendo la loro orbita molto schiacciata, passando vicino al Sole il ghiaccio sublima dando origine alla scia. Ad ogni giro la cometa quindi si consuma fino a perdere alcuni pezzi di roccia che possono essere attratti da pianeti o corpi vicini dando origine al fenomeno delle meteoriti.
Questi blocchi sono chiamati meteore se si consumano attraversando l’atmosfera dei pianeti o meteoriti se invece giungono sulla superficie.
Lo studio delle meteoriti permette di studiare materiali differenti.
Il sistema solare si è formato circa 4.6 miliardi di anni fa per il collasso di una nebulosa, che è una zona in cui sono presenti gas e polveri (materiale interstellare) che assumono particolari valori di pressione, temperatura e densità.
Alcune nebulose sono in espansione, altre sono in uno stato di equilibrio e altre ancora stanno collassando. In queste ultime si formano le stelle.
In sistema solare fa parte della Galassia o Via lattea che insieme alle altre galassie dà vita all’Universo. Le galassie assumono varie forme, la Via lattea ha forma di spirale con un nucleo galattico centrale dal quale partono due braccia principali e due più corte.
Il sistema solare si trova a circa 27000 anni luce dal nucleo su uno delle braccia più lunghe, quello di Orione, l’altro è quello di Perseo.
Il sistema solare compie un movimento di rivoluzione intorno al nucleo, un moto di traslazione verso la costellazione di Ercole e un moto di recessione che interessa tutta la galassia.
Le unità di misura che si utilizzano per valutare le distanze astronomiche sono:
l’unità astronomica (u.a.) per calcolare le distanze all’interno del Sistema solare e vale come la distanza media tra il sole e la terra cioè 149600000 Km.;
l’anno luce (a.l.) che serve a misurare le distanze tra stelle e vale come la distanza percorsa dalla luce in un anno;
il PARSEK che vale 3.26 anni luce e serve a calcolare distanze maggiori.
IL SOLE
Il sole presenta una struttura comune a molte stelle. Ciò che caratterizza il destino di una stella è la sua massa: se la massa che collassa è notevole il corpo diventerà una stella perché esiste un valore detto massa critica oltre al quale partono le reazioni di fusione nel nucleo. Se la massa è minore invece il corpo diventa un pianeta e qui non si raggiungono quelle temperature per far iniziare le reazioni di fusione.
Il sole è una stella di massa modesta che si è formata da una nebulosa che collassando ha dato origine ad una protostella e poi ad una stella.
A questo punto iniziano le reazioni di fusione e l’energia che si libera ferma il collasso gravitazionale iniziando così la fase stabile.
Le stelle vengono studiate in base ad alcuni parametri come la luminosità e la temperatura superficiale: questi dati vengono inseriti in un riferimento cartesiano dove le stelle occuperanno determinate regioni e non si distribuiscono in modo uniforme.
La diagonale detta sequenza principale è occupata dalle stelle che vivono la fase di vita stabile, cioè quelle in cui l’attrazione gravitazionale che tende a far collassare la stella, viene bilanciata dall’energia prodotta con la fusione che provoca una pressione interna.
La lunghezza del periodo di stabilità dipende dalla massa: stelle di massa piccola hanno sequenza principale più lunga.
Quando la stella abbandona la sequenza principale inizia la sua fase finale: se è una stella piccola prima diventa gigante rossa e poi nana bianca, mentre se è grande diventa una supernova.
Il sole è una stella di seconda generazione ed è costituita da idrogeno, elio, ma anche da elementi più pesanti che vengono sintetizzati dalle supernove che dopo l’esplosione vanno incontro a condizioni di temperatura e pressione così elevate da formare anche elementi pesanti.
Esistono quindi stelle di Prima generazione che dovrebbero contenere solo idrogeno e elio, gli elementi primitivi, ma che in realtà hanno traccia di altri elementi. Si pensa così che siano esistite stelle di primissima generazione e che ormai sono scomparse.
Il sole compie alcuni movimenti. Durante la rotazione intorno al proprio asse il sole assume due differenti velocità lineare di rotazione: una maggiore all’equatore che fa completare il giro in 25 giorni e una minore ai poli che lo fa completare in circa 30 giorni. Questo è possibile perché il sole si comporta come un fluido e questo si ripercuote anche su alcuni fenomeni come le macchie solari.
La struttura del sole è organizzata in strati concentrici. Il più interno è il nucleo dove è presente una componente di materia degenerata, cioè un fluido di elettroni con immersi protoni. Gli atomi di idrogeno sono quindi scomposti nelle loro componenti essenziali.
Gli elevati valori di temperatura e pressione permettono la presenta di reazioni di fusioni all’interno del nucleo, in queste reazioni gli atomi piccoli si riuniscono e danno vita a atomi più grossi. I nuclei fra loro si respingono per cui è necessaria un’elevata energia cinetica che permetta gli urti tra le particelle. Dalle reazioni si libera molta energia che viene trasportata verso la superficie.
Il trasporto intorno al nucleo avviene per radiazione , perché la zona è costituita da idrogeno e elio a alto livello di pressione che non permette movimento di materia.
I fotoni vengono così trasportati nella zona convettiva dove è presente movimento di materia e l’energia viene trasportata per convezione.
Le reazioni avvengono secondo la catena protone-protone. Nelle stelle più grandi è necessario garantire maggiore energia e si parla di un ciclo carbonio-azoto-ossigeno.
Le tappe della catena protone-protone sono tre.
Il primo prevede che due nuclei di idrogeno si fondino per dare un atomo di deuterio (isotopo dell’idrogeno che presenta un protone e un neutrone). In questa reazione si perdono una carica positiva detta positrone e un neutrino.
I neutrini sono particelle piccolissime prive di carica elettrica e che non interagiscono con la materia.
Potrebbero essere le componenti della massa oscura, cioè di quella parte dell’Universo non percepibile perché non emette radiazioni elettromagnetiche, ma che fa sentire i suoi effetti gravitazionali.
Nel secondo passaggio il deuterio si fonde con un protone, creando un isotopo leggero di elio e liberando un fotone di energia.
Nel terzo passaggio due nuclei di elio leggero si fondono per dare un atomo di elio liberando due protoni.
In sostanza quattro protoni si sono fusi per dare un nucleo di elio. L’energia viene dalla massa mancante che è la materia che si è trasformata in energia secondo la formula E=mc.
Parte dell’energia serve a contrastare l’azione gravitazionale e parte viene irraggiata nello spazio.
La superficie solare è detta FOTOSFERA, mentre l’atmosfera solare è formata dalla CROMOSFERA e dalla CORONA.
La fotosfera si trova a 6000°K e questo determina il colore del sole che è una stella gialla.
La superficie presenta alcune strutture particolari come i granuli e le macchie solari.
I granuli sono la parte sommitale dei moti convettivi, sono più luminosi perché più caldi e sembra quindi che la superficie solare ribollisca continuamente.
Le macchie solari invece sono zone depresse, più scure perché sono più fredde di circa 1500° rispetto al resto della superficie.
Le macchie presentano una zona interna più scura detta zona d’ombra e una esterna più chiara detta zona di penombra.
Le macchie hanno andamento ciclico e si muovono da una latitudine nord e sud di 40° verso l’equatore dove spariscono. Raggiungono il loro massimo di espansione e numero vicino alla latitudine nord e sud di 15°.
Il periodo di tempo di un ciclo è di una settimana.
Le macchie sono dovute a perturbazioni del campo magnetico solare. Il sole si comporta come un fluido e la rotazione disturba le linee di forza del campo che in certe zone si intensifica comprimendo parte di materia e creando delle depressioni.
La cromosfera si osserva durante le eclissi: è formata da idrogeno che emette luce e da al sole il colore rosso.
La superficie è sfrangiata e presenta spicole in corrispondenza delle cupole dei moti convettivi.
La corona ha uno spesso molto potente, ma è piuttosto rarefatta. E’ formata da gas ionizzati e protoni che hanno un’energia cinetica tale da sfuggire alla forza gravitazionale originando il vento solare.
Il sole quindi perde continuamente materia sotto forma di vento solare che investe tutto il sistema.
Ci sono delle strutture legate alla ultra attività del sole:
le PROTUBERANZE sono getti di idrogeno a elevata temperatura che attraversano la cromosfera per ricadere sulla superficie.
Ci sono poi i brillamenti che sono lampi di luce. Il sole oltre alle radiazioni stazionarie emette anche ultra radiazioni che sono molto energetiche come i raggi cosmici.
Durante i periodi di ultra attività solare sulla terra si verificano fenomeni particolari dovuti all’interazione delle particelle solari con il campo magnetico terrestre.
Per esempio le AURORE polari avvengono quando i gas ionizzati della ionosfera interagiscono con le particelle solari. Le particelle ionizzate sono spinte verso i poli magnetici e qui possono entrare nella atmosfera ionizzando i gas presenti che assumono un particolare colore e producono fenomeni luminosi. Un altro esempio sono le tempeste magnetiche
PIANETI
I pianeti del sistema solare sono 9 e sono divisi in due gruppi: i pianeti terrestri (Marte, Venere, Terra e Mercurio), piccoli, formati da metalli e rocce, con pochi satelliti e un’atmosfera poco spessa; e i pianeti gioviani più massicci, formati da gas e ghiacci, ma con un nucleo metallico.
I pianeti descrivono orbite ellittiche complanari, tranne Plutone. Hanno tutti un moto di rotazione intorno al proprio asse in senso antiorario tranne per Venere e Nettuno che ruotano in senso orario.
Giove emette più energia di quella che dovrebbe e questo forse perché la sua massa si avvicina a quella che determina la differenza tra stella e pianeta. Forse nel suo nucleo avviene qualche reazione di fusione.
Tra Marte e Giove è presente una fascia di circa 1800 asteroidi, piccoli corpi di forma variabile, che girano su orbite stabili.
Ci sono due ipotesi sull’origine degli asteroidi: alcuni pensano che siano frammenti di corpi più grandi, altri che siano corpi piccoli che non hanno trovato condizioni favorevoli per aggregarsi.
Oltre ai pianeti e agli asteroidi si trovano altri corpi come le meteoriti, che transitano vicino ai pianeti che li attraggono consumandoli attraverso l’atmosfera. Se giungono sulla superficie prendono il nome di meteoriti, altrimenti di meteore.
Alcune meteoriti sono formate da rocce, altre da metalli, altre da entrambi e altre ancora contengono molecole organiche (condriti carbonacee).
Esistono poi le comete, corpi formati da rocce e ghiaccio. Alcune hanno orbite ellittiche e diventano visibili quando passando vicino al sole il calore fa sublimare il ghiaccio.
Altre hanno orbite paraboliche e entrano e escono continuamente dal sistema solare.
Le comete si formano nella nube di Oort.
L’UNIVERSO
Un astro è un corpo luminoso che si vede proiettato sulla sfera celeste: sono stelle, galassie, pianeti, ma in questo ultimo caso brillano di luce riflessa).
Il mezzo per indagare gli astri è la radiazione elettromagnetica che i corpi luminosi irraggiano.
La radiazione elettromagnetica è una forma di energia che si propaga nello spazio in onde elettromagnetiche che hanno lunghezze e frequenze differenti.
Le onde più corte sono le più energetiche e sono le onde visibili, i raggi x, i raggi d e gli ultravioletti.
Le onde più lunghe sono le meno energetiche e sono gli infrarossi e le onde radio.
Quando le radiazioni interagiscono con la materia l’energia viene assorbita in blocchi chiamati fotoni.
Le onde nello spazio devono fare i conti con la atmosfera che è trasparente solo alle onde radio e alle onde ottiche, che sono le uniche ad arrivare sulla superficie terrestre.
Gli strumenti utilizzati per interpretare queste onde sono i telescopi e i radiotelescopi.
Per captare altre emissioni è necessario uscire dall’atmosfera e utilizzare altri strumenti.
Montato sul telescopio si può trovare uno spettroscopio che suddivide la luce nelle diverse componenti e riporta lo spettro delle onde ottiche.
Esistono tre tipi di spettri: quelli di emissione continua, quelli a righe che possono essere o di emissione o di assorbimento.
Gli spettri a emissione continua sono tipici di corpi solidi o liquidi a elevata temperatura e di corpi gassosi a elevata pressione. Questi emettono spettri ad emissione continua che vanno da onde meno energetiche (rosse) a più energetiche (viola).
Gli spettri di emissione a righe sono quelli dei gas molto rarefatti. Dall’analisi degli spettri è possibile capire che ogni elemento chimico emette solo alcune radiazioni con alcuni valori di energia.
Lo spettro è quindi tipico dell’elemento e serve a riconoscere l’elemento stesso.
Gli spettri a righe di assorbimento sono spettri continui dove mancano delle radiazioni. Infatti vengono interposti dei gas rarefatti tra il corpo e l’osservatore che assorbono selettivamente alcune lunghezze dell’onda.
A seconda del gas mancano nello spettro continuo alcune lunghezze d’onda che il gas ha assorbito.
Uno stesso gas emette e assorbe sempre gli stessi elementi.
Lo spettro del sole è simile a quello delle altre stelle ed è continuo per quanto riguarda il nucleo che è formato da gas a alta pressione , mentre nella parte superiore è rarefatto e quindi assorbe alcune lunghezze d’onda.
Dallo studio degli spettri si risale quindi alla composizione chimica dello strato superficiale, ma anche del nucleo, dato che sappiamo che è presente idrogeno, ma anche altri elementi e gruppi di molecole (oh) che danno bande di assorbimento.
Gli spettri delle varie stelle sono diversi tra loro perché cambia la temperatura e quindi lo spettro ci dà informazioni anche sulla temperatura superficiale della stella.
Una stella massiccia ha una temperatura più elevata e assume un colore bianco o azzurro; una stella modesta arriva a circa 6000°K di temperatura e è di colore giallo, mentre le stelle piccole raggiungono i 3000°K e hanno colore rosso.
Gli spettri danno anche informazione sui movimenti delle stelle, movimento che viene suddiviso in due movimenti: quello sulla sfera celeste e quello rispetto all’osservatore lungo la linea che unisce l’osservatore all’astro.
Per il movimento rispetto all’osservatore le righe di assorbimento si possono spostare verso il rosso o verso il violetto. Questo fenomeno è collegato all’effetto Doppler per cui se la stella si avvicina si avranno onde più corte e il fenomeno detto Blueshift, mentre se si allontana si ha il fenomeno detto redshift e le onde sono più lunghe.
Ora le informazioni riguardo i movimenti delle stelle vengono anche dallo studio dei neutrini e dalle onde gravitazionali.
LA SFERA CELESTE
La sfera celeste è un’illusione ottica, ma è importante perché su di essa si possono posizionare le stelle.
Le stelle si differenziano per colore e luminosità e hanno un aluce che pulsa a differenza dei pianeti che hanno luce fissa.
Le stelle sembrano raggruppate in costellazioni, che sono a loro volta un’illusione ottica. Non sono vicine fra loro, ma risultano tale perché vengono proiettate sulla sfera celeste.
Sono state stabilite 88 costellazioni e quindi la sfera celeste è stata divisa in 878 aree ciascuna delle quali contiene una costellazione.
I nomi delle costellazioni derivano dalla mitologia o da nomi di oggetti.
All’interno della costellazione ci sono stelle più brillanti, ma è una luminosità apparente e dipende solo dalla vicinanza.
Le stelle vengono chiamate con le lettere dell’alfabeto greco partendo dalla a, come la più luminosa, più il genitivo del nome della costellazione.
Alcune stelle hanno un nome proprio come Sirio.
Più del 50% delle stelle è un sistema binario di due stelle legate dalla forza gravitazionale.
Per fissare la posizione di un astro sulla sfera celeste serve un sistema di riferimento. Uno tiene conto della posizione dell’osservatore, mentre uno considera la terra un punto e è quindi un sistema assoluto. Quest’ultimo è formato proiettando l’asse terrestre e facendolo diventare l’asse del mondo, e prolungando il piano equatoriale per avere un piano equatoriale celeste. Si proietta così il reticolato geografico per avere un reticolato celeste.
Si tracciano così meridiani e paralleli. Il parallelo di riferimento è l’equatore celeste unico cerchio massimo, mentre per i meridiani si considera fondamentale quello che passa per il punto g , l’est, che è il punto in cui si trova il sole nell’equinozio di primavera e nel punto opposto mega, l’ovest, la posizione del sole all’equinozio di autunno.
Le coordinate celesti sono dunque la declinazione celeste e l’ascensione retta. La prima è l’angolo d che sottende l’arco di meridiano tra la stella e l’equatore celeste e può avere valore tra 0 e 90 in un emisfero e nell’altro tra 0 e –90.
L’ascensione retta invece è la distanza angolare del meridiano passante per la stella e il meridiano di riferimento calcolato sul parallelo. L’angolo che si forma, detto a, si misura partendo dal meridiano di riferimento in senso antiorario e assume valori da 0 a 360. Spesso non viene espresso in gradi, ma in ore e minuti.
Nel caso si tenga conto della posizione dell’osservatore l’asse del mondo individua il polo nord e il polo sud celesti. La linea verticale rispetto all’osservatore che unisce il centro della terra individua due punti sulla sfera celeste: lo zenit e il nadir.
Si interseca poi la sfera celeste con un piano perpendicolare al piano dell’osservatore e passante per il centro della terra e si individua l’orizzonte celeste che non coincide con il piano dell’equatore a meno che l’osservatore non si trovi al polo.
Le due circonferenze si intersecano nei punti est e ovest.
Si traccia poi la circonferenza che passa per lo zenit e il nadir, chiamata meridiano celeste del luogo e si individuano due intersezioni con l’orizzonte celeste chiamate nord e sud.
Si individuano così le coordinate relative o orizzontali che sono l’altezza e l’azimut.
L’altezza è la misura dell’altezza della stella sul piano dell’orizzonte, mentre l’azimut è l’angolo compreso tra il sud e la verticale della stella sul piano dell’orizzonte. Si misura in senso orario e assume tutti i valori da 0 a 360.
LE STELLE
Una delle principali caratteristiche di una stella è la massa, cioè la quantità di materia che costituisce la stella e ne determina il destino.
In base alla massa la stella si va a posizionare in una determinata posizione della sequenza principale, inoltre dalla massa dipende la temperatura della stella, il colore e il tipo spettrale.
Inoltre una stella poco massiccia avrà un certo tipo di evoluzione finale, le altre percorreranno altre vie.
Se si prende come termine di paragone la massa solare ci sono stelle più massicce anche di 100 volte e stelle anche 100 volte meno massicce.
Calcolare la massa della stella è semplice per le stelle binarie se si conosce il loro movimento.
Per quelle di sequenza principale invece basta conoscere la loro luminosità che è strettamente legata alla massa. Per le stelle più massicce la luminosità è pari alla massa elevata al cubo, per quelle meno massicce alla massa elevata alla quinta potenza.
Le stelle si differenziano anche per la densità. Le stelle di sequenza principale hanno densità come quella solare e quindi poco più di uno.
Le giganti rosse per esempio sono poco dense perché molto voluminose, mentre le nane bianche e le stelle di neutroni sono molto dense.
Anche la temperatura dipende dalla massa. All’interno la temperatura deve essere almeno quella per far partire le reazioni di fusione.
La temperatura superficiale invece è maggiore nelle stelle più massicce, fino a 25000°K, è invece minore in quelle meno massicce fino a 3000°K.
Dalla temperatura superficiale dipende lo spettro. In base allo spettro le stelle si possono classificare in classi spettrali. Le principali sono O,B,A,F,G,K,M dalle più massicce, più calde, più luminose cioè le stelle blu fino a quelle meno massicce.
Ogni classe è divisa in 10 sottoclassi che vanno dallo 0 al 9. Il sole è una G2.
La luminosità è un’altra caratteristica che dipende dalla massa. Quella che noi vediamo delle stelle è la luminosità apparente che dipende dalla luminosità assoluta e dalla distanza.
Le misure strumentali vengono effettuate con i fotometri che misurano la quantità di energia che giunge dalla stella, ma è sempre la luminosità apparente.
La luminosità assoluta è la quantità di energia irraggiata dalla stella nello spazio.
Per il sole la misurazione è semplificata dal fatto che si conosce la distanza e la costante solare.
La luminosità si può trovare facendo dei paragoni tra le varie stelle. Già nel II^ secolo a.C. si erano fatte classificazioni in base alla luminosità apparente secondo ordini di grandezza, dall’ordine numero 1 occupato dalle più luminose.
Oggi la misura della luminosità apparente viene fatta con gli strumenti e il termine di paragone è la stella polare. L’ordine di grandezza della luminosità si chiama MAGNITUDINE.
Tra una classe di magnitudine e l’altra ci sono 2.5 magnitudini.
Le magnitudini negative indicano stelle molto luminose, quelle positive le meno luminose.
Per poter confrontare le varie luminosità bisogna avere valori confrontabili: si cerca di misurare la luminosità assoluta, cioè la luminosità che avrebbero le stelle poste alla distanza di 10 Parsec dall’osservatore sulla sfera celeste. A questo punto la distanza è uguale per cui quello che varia è solo la quantità di luce irraggiata.
Ci sono stelle che hanno luminosità variabile (stelle variabili) o per motivi intrinsechi, cioè a causa delle caratteristiche della stella o per cause estrinseche.
Molte di queste stelle sono sistemi binari formate da una stella più grande e una più piccola.
Quando le due stelle sono entrambe visibili la luminosità è massima, se si eclissano invece sono meno luminose. ( variabili a eclissi).
Il movimento delle stelle è scisso in due movimenti: quello lungo la visuale tra la stella e l’osservatore e il moto proprio, cioè lo spostamento sulla sfera celeste.
Tutte le stelle hanno un campo magnetico la cui intensità varia nel tempo e la cui polarità si inverte costantemente.
Tra una stella e l’altra c’è del materiale interstellare studiato per via spettrografica per conoscerne la composizione. E’ presente idrogeno, elio, calcio, acqua, ammoniaca, acido solfidrico, ossido di calcio, radicali (gruppi atomici con elettroni spaiati come OH), molecole organiche come acido formico e etanolo. Da qui il gruppo di teorie che crede che la vita sia iniziata fuori dalla terra.
Inoltre è presente polvere cosmica formata da cristalli di ghiaccio e silicati.
In alcuni punti il materiale interstellare si addensa a formare nebulose che possono essere di due tipi: nebulose oscure, regioni di spazio dove si formano nuove stelle e nebulose luminose a riflessione o a emissione, regioni dello spazio dove ci sono stelle giovani che illuminano il materiale residuo che riflette o assorbe la radiazione delle stelle.
Le nebulose possono essere o in equilibrio idrostatico e quindi l’energia gravitazionale viene compensata dalla pressione dei gas interni, o nebulose che collassano o in espansione.
Il collasso di una nebulosa avviene per una causa esterna. Quella che ha fatto iniziare il collasso della nebulosa che ha dato origine al sistema solare è stato favorito dall’esplosione di una supernova le cui onde d’urto hanno provocato il collasso.
La nebulosa che può dare origine a un sistema di stelle deve avere un temperatura bassa (10°K) e una bassa densità (10-24 g/cm3) e una massa di 1000, 10000 volte la massa solare. Da una nebulosa di queste dimensioni si formerà una famiglia di stelle perché durante il collasso il materiale viene frammentato.
La nebulosa collassando diventa più densa, ma sempre troppo bassa perché le particelle scambino energia tra loro e aumentino la temperatura della nebulosa. Gli scambi avvengono solo con l’esterno.
Se il corpo non si scalda non c’è energia che si oppone al collasso. Questa fase è quella del collasso isotermo la cui durata dipende dalla densità iniziale.
Da questo momento la nebulosa diventa sempre più densa e ruota sempre più velocemente per mantenere il suo momento angolare. A questo punto si frammenta e le singole porzioni continuano a collassare dando origine ai singoli corpi.
La nebulosa continua a collassare fino a un valore di densità critico quando le particelle cominciano a scambiare energia tra loro. E’ la fase del collasso adiabatico. La nebulosa inizia a scaldarsi e oppone una forza interna al collasso.
Si forma un corpo sempre più denso e luminoso chiamato PROTOSTELLA, che è un corpo piuttosto stabile.
Il collasso continua lentamente, la temperatura aumenta fino a raggiungere i valori necessari per le reazioni di fusione. Il corpo diventa così una stella di sequenza principale.
La protostella all’equatore ha del materiale residuo che andrà a creare i pianeti.
Si ha la stella quando iniziano le reazioni nel nucleo.
Le stelle si possono posizionare in un diagramma cartesiano chiamato HR che ha come ordinata la luminosità assoluta delle stelle e come ascissa o la temperatura superficiale, o le classi spettrali o l’indice di colore.
Le stelle nel diagramma non si dispongono in modo casuale ma secondo la diagonale. Queste sono quelle di sequenza principale. A sinistra ci sono le stelle più massicce, più luminose e scendendo quelle meno massicce.
Finché nel nucleo ha sufficiente idrogeno la stella rimane in sequenza principale. Le stelle più massicce rimangono meno, quelle meno massicce rimangono di più.
Sopra la sequenza principale si trovano le giganti e le supergiganti rosse che sono nella fase finale della loro evoluzione.
Sotto la sequenza principale si trovano le nane bianche che sono il risultato finale di stelle poco massicce.
Il diagramma serve quindi a studiare l’evoluzione delle stelle.
Importanti sono gli ammassi globulari, famiglie di stelle antiche presenti nell’alone polattico. Hanno la stessa età, la stessa composizione ma massa diversa. Dallo studio di queste stelle si vede l’influenza della massa sulla vita delle stelle.
L’energia che si libera nel nucleo viene trasportata intorno al nucleo per radiazione e negli strati superficiali per convenzione.
Nelle stelle di sequenza principale la fusione avviene solo nel nucleo, per stelle modeste attraverso la catena protone protone.
La composizione del nucleo quindi cambia, l’idrogeno diminuisce a la stella si arricchisce di elio, che hanno atomi più grossi dell’idrogeno.
Per far fondere l’elio sono necessarie temperature e pressioni più elevate.
Più è lunga la permanenza in sequenza principale più il nucleo si arricchisce di elio fino a che la fusione dell’idrogeno non garantisce più l’energia che favorisce la stabilità.
La stella quindi collassa e si riscalda. Nel nucleo si creano quelle temperature e pressioni necessarie per fondere l’elio che si trasforma in carbonio: 3 atomi di elio danno un atomo di carbonio.
Intorno al nucleo la temperatura e la pressione sono tali da far iniziare la fusione dell’idrogeno.
La struttura della stella è stratificata: le reazioni avvengono sia nel nucleo che intorno al nucleo.
Queste nuove reazioni libera un’enorme quantità di energia che fa dilatare la stella che diventa una gigante rossa. A questo punto la stella abbandona la sequenza principale.
Le giganti rosse sono molto luminose non intrinsecamente (perché la loro temperatura superficiale è bassa), perché sono molto voluminose. Per questo motivo disperde velocemente l’energia.
Tutte le stelle iniziano a contrarsi e diventano giganti rosse ad un certo punto della sequenza principale.
Le tappe successive dipendono dalla massa. Se sono come il sole o poco superiore, fino a 1.44 masse solari, che è il limite di Ciandraseca.
A questo punto la gigante rossa perde velocemente l’energia prodotte dalle reazioni di fusione che avvengono intorno al nucleo. La a stella a questo punto collassa e si scalda, ma la temperatura, che dipende dalla quantità di massa, è modesta per cui non tale da innescare reazioni di fusione.
Il collasso continua fino a che gli atomi degenerano, gli elettroni danno vita a un fluido elettronico nel quale sono immersi i nuclei che si respingono.
Questa forza di repulsione, forza elettromotrice, ferma il collasso e i nuclei si dispongono fino a raggiungere una situazione di equilibrio.
Le forze presenti nell’Universo sono quattro: la forza nucleare forte, che tiene insieme i nucleoni, la forza nucleare debole, che provoca il decadimento radioattivo, la forza elettromagnetica e quella gravitazionale.
L’oggetto che si forma è molto luminoso (intrinseca), ma ha le dimensioni di un pianeta, una nana bianca.
La temperatura superficiale è molto elevata ed è dovuta alla forza di gravità che si converte in calore.
Inizialmente il corpo è molto caldo e molto luminoso, ma non avendo all’interno energia diventano fredde e scure: nane brune.
La densità è molto elevata perché la massa enorme della stella è racchiusa dalle dimensioni di un pianeta.
Ci sono poi giganti rosse molto voluminose che derivano da stelle con massa fino a 3.5 masse solari, sono le super giganti rosse.
Essendo di massa maggiore la parte centrale collassa più velocemente, si riscalda e irraggia energia eccitando gli strati superficiali di gas che diventano luminosi e aumentano la loro energia cinetica allontanandosi dalla nana bianca. Questi gas vanno a formare una nebulosa planetaria, che ha questo nome perché sta attorno alla nana bianca come i pianeti intorno alle stelle.
La stella si libera di massa e la parte rimanente può collassare per diventare una nana bianca.
Più una stella è massiccia più assume una struttura stratificata dovuta a continue contrazioni e espansioni. Nel grafico la stella continua quindi a spostarsi dalla sequenza principale alla zona delle giganti rosse e viceversa.
Nel nucleo si arriva a sintetizzare materiali sempre più pesanti.
Queste sono stelle variabili intrinseche.
Questo continuo movimento di contrazione e espansione avviene fino a che nel nucleo non è presente il ferro.
Alla prima contrazione aumenta la temperatura che assume valori maggiori nel nucleo dove cominciano reazioni di fusione che portano l’elio a dare atomi di carbonio.
Nel primo strato partono le reazioni che portano l’idrogeno a formare l’elio.
L’energia che si libera fa dilatare la stella. Si ha poi un altro collasso dovuto alla dispersione di tutta l’energia , di nuovo aumenta la temperatura che è più o meno elevata a seconda della massa, e il carbonio ne nucleo da origine all’ossigeno. Nel primo strato l’elio diventa carbonio e nel secondo l’idrogeno diventa elio.
La stella quindi assume una struttura stratificata e le reazioni di fusione avvengono sia nel nucleo che intorno ad esso.
La stella si dilata e si contrae continuamente.
Una stella molto massiccia può arrivare ad avere un nucleo di ferro e gli strati verso la superficie di silicio, magnesio, ossigeno, carbonio, elio e idrogeno.
L’energia si libera sotto forma di fotoni che interagiscono con la materia.
Se però una stella con nucleo di ferro si contrae ulteriormente, la fusione del ferro porta alla liberazione di neutrini che non interagiscono con la materia.
Se il fotone impiega un tempo lungo per uscire dalla stella, i neutrini escono immediatamente, per cui non c’è alcun tipo di energia che fermi il collasso.
Nel nucleo il ferro fonde e negli strati intorno avvengono reazioni di fusione che fanno esplodere la stella. Esplodendo la stella diventa più luminosa della Galassia e viene chiamata supernova.
( le nove erano stelle che diventavano più luminose all’osservatore.
In seguito all’esplosione si formano tutti gli elementi chimici che vengono proiettati nello spazio.
La stella può liberare fino il 98% della sua massa iniziale. Questo materiale diventa materiale interstellare.
La parte di massa rimasta continua il collasso. Se la massa è inferiore a 3.2 messa solari l’oggetto che si forma è una stella di neutroni, se è maggiore è un buco nero.
Nella nana bianca la stabilità era garantita dalla degenerazione della materia che provocava la repulsione elettromagnetica che ferma il collasso.
Qui invece il collasso è più forte. La forza elettromagnetica non è sufficiente per fermarlo. Il collasso spinge gli elettroni a reagire con i protoni formando neutroni.
Il corpo diventa quindi una stella di neutroni con una massa di circa 3,2 masse solari, sferica con un raggio di decine di Km. E densità dell’ordine di 106 g/cm3 . Ha un intenso campo magnetico e ruota velocemente. Emette radiazioni: onde radio e onde x. Le onde radio vengono emesse a intermittenza perché vengono le onde vengono emesse dai poli magnetici e richiamati sul campo stesso. Si vedono alternativamente prima un polo poi l’altro a intervalli molto piccoli. Per questo motivo vengono chiamate anche pulsar.
Anche per il buco nero nessuna forza ferma il collasso che continua all’infinito.
Viene definito singolarità perché non è descrivibile con la fisica classica ma con quella della relatività.
Il corpo è molto denso, la densità tende a infinito e il volume a zero.
Si chiama così perché ingurgita tutto, anche la luce. Non si vede direttamente ma attraverso la materia che emette raggi x.
(La nova è il risultato dell’evoluzione di un sistema binario.
La stella binaria nella sua evoluzione è influenzata dalla compagna.)
L’UNIVERSO
Il sistema solare è un insieme di corpi con la stessa origine e la stessa età.
Le galassie sono masse lattiginose piene di stelle che si allontanano l’una dall’altra per il moto di recessione delle galassie.
Tra una galassia e l’altra c’è il materiale intergalattico simile a quello interstellare.
Il nome galassia significa via lattea.
Per la forma delle galassie ci sono galassie a spirale come la nostra che è formata da un nucleo galattico e da questo si allungano due lunghe braccia: Perseo e Orione.
Il sistema solare si trova sul braccio di Orione a 27000 anni luce dal nucleo.
Vista di profilo la nostra galassia presenta una regione sferica: l’alone galattico dove sono presenti gli ammassi globulari, famiglie di stelle antiche che hanno la stessa età e sono legate dalla forza gravitazionale.
La loro disposizione ci suggerisce l’evoluzione della galassia che era forse un ammasso globulare.
Esistono poi galassie a spirale sbarrata che hanno una sbarra in corrispondenza del nucleo, galassie globulari, ellittiche, peculiari.
Alcune galassie vicine interagiscono a livello gravitazionale formando degli ammassi.
L’ammasso al quale partecipa anche la nostra galassia è il gruppo locale che contiene 18 galassie delle quali 3 a spirale,11 ellittiche e 4 irregolari.
Il gruppo locale fa parte di un ammasso più grande: l’ammasso della vergine.
Gli ammassi si dispongono a formare delle bolle che ci danno la struttura dell’Universo chiamata appunto a bolle o spugnosa.
Fonte: http://www.webalice.it/forluca/materials/appunti/SCIENZE.DOC
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