Terra

Terra Terzo pianeta del sistema solare in ordine di distanza dal Sole; unico pianeta, allo stato attuale delle conoscenze, che ospiti la vita. Ha una composizione prevalentemente rocciosa e una forma irregolare, riconducibile in prima approssimazione a un ellissoide. Presenta una struttura a strati, con un nucleo pesante, un mantello intermedio e una crosta più leggera, ed è all’origine di una magnetosfera. Oltre che dal Sole, attinge energia per le sue complesse dinamiche da una riserva di calore immagazzinata al suo interno. Compie un complicato sistema di moti periodici nello spazio, i più importanti dei quali sono la rotazione intorno al proprio asse e la rivoluzione intorno al Sole.

Calcoli recenti basati sullo studio delle irregolarità orbitali di satelliti artificiali hanno permesso di appurare che la Terra presenta effettivamente una forma di ellissoide, ma lievemente deformata “a pera”: la differenza tra il raggio minimo equatoriale e il raggio polare (distanza tra il centro della Terra e il Polo Nord) è di circa 21 km, inoltre il Polo Nord “sporge” rispetto all’ellissoide regolare di circa 10 m, mentre il Polo Sud è “schiacciato” di 31 m. Lo studio della forma della Terra è oggetto di una disciplina che prende il nome di geodesia.

La posizione della Terra nello spazio non è stazionaria ma è il risultato di una complessa composizione di moti con caratteristiche e periodicità differenti. Insieme al suo satellite naturale, la Luna, il pianeta Terra orbita intorno al Sole, a una distanza media di 149.503.000 km e con una velocità media di 29,8 km/s, compiendo una rivoluzione completa in 365 giorni, 6 ore 9 minuti e 10 secondi (il periodo di rivoluzione è detto anno sidereo). La traiettoria di quest’orbita è un'ellisse lievemente eccentrica, ovvero pressoché circolare, con una lunghezza pari a circa 938.900.000 km. La Terra è inoltre in rotazione intorno al proprio asse; tale rotazione avviene in senso inverso rispetto all'apparente moto del Sole e della sfera celeste, vale a dire da occidente a oriente, e ha un periodo di 23 ore, 56 minuti e 4,1 secondi (giorno sidereo).

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

Oltre che dai moti principali, la Terra è interessata dal moto di precessione degli equinozi e dalle nutazioni. Queste ultime sono variazioni periodiche dell'inclinazione dell'asse terrestre, dovute alla combinazione delle due forze di attrazione gravitazionale esercitate su di essa dal Sole e dalla Luna.

La Terra può essere schematicamente suddivisa, procedendo dall’esterno verso l’interno, in cinque porzioni: l'atmosfera (gassosa), l'idrosfera (liquida), la litosfera (solida), il mantello e il nucleo, in parte solidi. L'atmosfera, costituita prevalentemente da azoto (N₂) e ossigeno (O₂), è l’involucro gassoso che circonda il corpo del pianeta: ha uno spessore di oltre 1100 km, ma data la rarefazione progressiva all’aumentare della quota, circa la metà della sua massa è concentrata nei primi 5600 metri.

Con il termine idrosfera si intende l’insieme delle acque che, raccolte per la massima parte negli oceani, coprono approssimativamente il 70,8% della superficie del globo. L'idrosfera comprende, oltre agli oceani, anche i mari interni, i laghi, i fiumi e le acque sotterranee. Gli oceani hanno una profondità media pari a 3794 m, circa cinque volte l'altezza media dei continenti, e una massa complessiva uguale a circa 1.350.000.000.000.000.000 (1,35 × 10¹⁸) tonnellate, cioè circa 1/4400 della massa totale della Terra.

La litosfera è lo strato del pianeta profondo fino a 100 km, che comprende la crosta – rocciosa – e la parte del mantello caratterizzata da un comportamento rigido. Il mantello a comportamento plastico e il nucleo costituiscono invece la parte interna del pianeta e rappresentano la maggior parte della sua massa. Le rocce della crosta terrestre hanno una densità media di 2,7 g/cm³ e sono perlopiù costituite da undici elementi, che complessivamente rappresentano circa il 99,5% della massa crostale. Il più abbondante di essi è l'ossigeno (circa il 46,60% della massa totale), seguito da silicio (circa il 27,72%), alluminio (8,13%), ferro (5,0%), calcio (3,63%), sodio (2,83%), potassio (2,59%), magnesio (2,09%), titanio, idrogeno e fosforo (complessivamente in quantità minori dell'1%). Inoltre sono presenti tracce di altri elementi quali carbonio, manganese, zolfo, bario, cloro, cromo, fluoro, zirconio, nichel, stronzio e vanadio. Questi elementi si trovano nella litosfera generalmente in forma di composti e solo raramente allo stato puro.

La litosfera non ricopre uniformemente il globo, ma è frammentata in una molteplicità di placche rigide in movimento relativo convergente o divergente le une rispetto alle altre. Le interazioni tra le zolle litosferiche sono all’origine di tutta la dinamica della crosta terrestre, vale a dire del sollevamento delle catene montuose, dell’espansione dei fondi oceanici, dei fenomeni sismici e vulcanici. Il complesso di questi fenomeni è spiegato da una teoria sviluppata nel corso del XX secolo e nota come tettonica a zolle.

Esistono due tipi di crosta, che differiscono sia per la natura e la struttura delle rocce costituenti, sia per l'età, sia per il livello medio della superficie. La crosta di tipo continentale costituisce i continenti, la piattaforma continentale e parte dell'adiacente scarpata continentale. È costituita da rocce magmatiche, metamorfiche e sedimentarie, che hanno una composizione chimica media prossima a quella del granito e un’età estremamente variabile: le più antiche possono risalire addirittura a 4 miliardi di anni fa. La crosta di tipo oceanico costituisce invece il pavimento dei bacini oceanici ed è costituita prevalentemente da rocce di composizione basaltica. L'età di queste rocce non è maggiore di 190 milioni di anni.

Il livello medio della superficie della crosta continentale supera di oltre 4000 metri quello della crosta oceanica, benché i rilievi e le depressioni oceaniche costituiscano solo una piccola percentuale delle terre emerse e dei fondi oceanici.

Il mantello superiore, rigido, è separato dalla crosta da una discontinuità sismica, detta Moho, e dal mantello inferiore da uno strato a comportamento più plastico, l’astenosfera. Il mantello superiore, scorrendo lateralmente sulle rocce parzialmente fuse che costituiscono l’astenosfera, spessa un centinaio di chilometri, permette la deriva dei continenti e l'espansione dei fondi oceanici.

Il mantello si estende dalla base della crosta fino a una profondità di circa 2900 km. Il suo strato più esterno – l’astenosfera – si trova allo stato fluido, mentre la parte rimanente è solida, con una densità che cresce all’aumentare della profondità, variando tra 3,3 e 6. Il mantello superiore è composto da silicati di ferro e magnesio e in percentuale significativa dal minerale olivina; la parte inferiore consiste probabilmente di una miscela di ossidi di magnesio, silicio e ferro organizzati in strutture cristalline tipiche di condizioni di temperatura e pressione elevate.

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

L'enorme quantità di calore presente nel nucleo terrestre tende a propagarsi verso l'esterno, attraverso i gusci concentrici che costituiscono il corpo del pianeta. L’energia termica del nucleo alimenta le correnti convettive del mantello, le quali fungono da nastro trasportatore delle zolle litosferiche e alimentano di magmi sia il sistema delle dorsali oceaniche, sia i vulcani sulla terraferma. Parte del calore terrestre, inoltre, viene prodotto nella crosta dal decadimento delle specie radioattive presenti (ad esempio l'uranio).

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

Il nostro pianeta, subito dopo la sua formazione (avvenuta probabilmente per aggregazione gravitativa di materia libera nello spazio), doveva essere un corpo quasi omogeneo e relativamente freddo. La contrazione gravitazionale provocata dal progressivo accrescimento della sua massa produsse un aumento di temperatura, al quale contribuì senza dubbio il decadimento radioattivo di alcuni isotopi. L’aumento di temperatura giunse a un livello tale da innescare un processo di parziale fusione del pianeta e la conseguente riorganizzazione dei suoi componenti in strati concentrici – crosta, mantello e nucleo: i silicati, più leggeri, risalirono verso la superficie della massa fluida, formando il mantello e la crosta, mentre gli elementi pesanti, soprattutto ferro e nichel, affondarono perlopiù verso il centro. Al tempo stesso, tramite le eruzioni vulcaniche, gran parte dei gas leggeri vennero espulsi dal mantello e dalla crosta. Alcuni di questi gas, in particolar modo l’anidride carbonica e l’azoto, andarono a costituire l'atmosfera primordiale, mentre il vapore acqueo condensava, dando origine ai primi oceani.

La Terra nel suo insieme si comporta come un enorme magnete. Il campo magnetico terrestre, infatti, è molto simile a quello che si osserverebbe collocando al centro del pianeta una barra magnetica con l’asse inclinato di circa 11° rispetto all'asse di rotazione terrestre. Benché gli effetti del geomagnetismo siano noti e sfruttati da molte centinaia di anni (ad esempio con la bussola), i primi studi scientifici su questa proprietà del nostro pianeta vennero compiuti intorno al 1600 dal fisico e filosofo britannico William Gilbert.

Il fatto che l’asse del campo magnetico terrestre non coincida con l’asse di rotazione fa sì che anche i poli magnetici siano distinti da quelli geografici. Il polo nord magnetico attualmente si trova al largo delle coste occidentali delle isole Bathurst, nei Territori del Nord-Ovest canadesi, quasi 1290 km a nord-ovest della baia di Hudson. Il polo sud magnetico si trova invece sul bordo del continente antartico, nella zona di Terra Adelia, circa 1930 km a nord-est di Little America.

La posizione dei poli magnetici non è fissa, ma muta in modo sensibile da un anno all’altro. Il campo magnetico terrestre, infatti, varia in direzione con una perdiodicità di circa 960 anni, e inoltre compie piccole variazioni su scala giornaliera. Recenti studi effettuati sulla magnetizzazione fossile dei sedimenti marini hanno rilevato un’ulteriore periodicità nelle variazioni del campo geomagnetico, di 100.000 anni. Essa, secondo gli scienziati, potrebbe essere legata alla variazione di eccentricità dell’orbita terrestre, che avviene appunto secondo un ciclo di 100.000 anni.

I dati raccolti dai satelliti rivelano che per il campo magnetico terrestre è in corso da circa 150 anni un lento processo di indebolimento destinato a risolversi con un’inversione di polarità. In sostanza, al termine di tale processo, che dovrebbe durare circa due millenni, il Nord magnetico non coinciderà più con il Nord geografico, ma con il Sud. Un campo magnetico meno intenso, nel frattempo, potrebbe significare una maggiore esposizione alle tempeste magnetiche provenienti dal Sole, difficoltà nella navigazione dei satelliti e, in campo biologico, difficoltà di orientamento per tutti gli animali che nelle migrazioni si affidano al magnetismo – uccelli, farfalle, balene e molti altri.

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

Le misure della variazione secolare mostrano che il campo magnetico terrestre tende a spostarsi verso occidente a una velocità compresa tra i 19 e i 24 km all'anno. Con ogni evidenza, il magnetismo della Terra è il prodotto di un processo dinamico che può essere spiegato tenendo presente che il nucleo esterno, ferroso, sia liquido (al centro della Terra, invece, la pressione sarebbe tale da consentire solo lo stato solido) e che le correnti convettive al suo interno abbiano un effetto paragonabile a quello delle spire di una dinamo (siano in grado cioè di generare un intenso campo magnetico). La parte interna del nucleo ruoterebbe più lentamente della parte esterna, e ciò spiegherebbe la deriva secolare verso ovest del campo magnetico. La superficie irregolare del nucleo esterno spiegherebbe poi alcune delle altre variazioni minori del campo magnetico.

Le misurazioni di intensità del campo vengono effettuate con strumenti detti magnetometri, che possono determinare l'intensità totale del campo e anche quella delle sue componenti orizzontale e verticale. Studiando le anomalie locali di intensità del campo magnetico terrestre si possono ottenere informazioni per individuare alcuni tipi di giacimenti minerari.

Analizzando le antiche rocce vulcaniche è possibile risalire alle condizioni del campo magnetico terrestre di epoche passate. I minerali ferromagnetici contenuti in tali rocce, infatti, rimangono bloccati nel corso del processo di raffreddamento (e quindi di cristallizzazione) nell’orientamento che avevano assunto per allinearsi al campo magnetico locale. Le misurazioni effettuate in diverse regioni del globo evidenziano come l'orientamento del campo magnetico attraverso le ere geologiche sia mutato enormemente rispetto alla posizione delle masse continentali, mentre l'inclinazione dell'asse di rotazione terrestre rimaneva invariata. Il polo nord magnetico, ad esempio, 500 milioni di anni fa era situato a sud delle isole Hawaii, e per i successivi 300 milioni di anni l'equatore magnetico si trovò a passare per gli Stati Uniti.

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

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