Terra - Struttura interna, campo geomagnetico e moti

Ripercorriamo in questo appunto di scienze quelle che sono le caratteristiche generali del nostro pianeta. Esaminiamo la struttura interna della terra, le origini del suo campo magnetico. Ripassiamo i due principali moti che essa compie nel sistema solare e che condizionano la nostra vita di tutti giorni.

Misure della Terra

La superficie della Terra è di 510 milioni di km quadrati, ed ha un volume di 1083 miliardi di km cubici.

. Nell’antichità Tolomeo, un astrologo e astronomo greco, misurò la Terra solo del 20% in meno rispetto alla realtà. La Terra non è sferica e la circonferenza all'equatore è di 40077 km. Il primo studioso che cercò di determinare le dimensioni della Terra fu probabilmente il greco Eratostene di Cirene. Egli sapeva che nella città di Siene (l’odierna Assuan) il 21 giugno, giorno del solstizio d’estate, il Sole a mezzogiorno si rifletteva nel fondo dei pozzi, questo perché i suoi raggi sono perpendicolari alla superficie terrestre. Assumendo che la città di Alessandria d’Egitto si trovasse esattamente a nord di Siene, e che i raggi del Sole giungessero sulla Terra paralleli tra loro, egli misurò l’angolo formato dai raggi solari, nello stesso istante nelle due città, utilizzando bastoni infissi al suolo osservandone l’ombra. Ottenne un valore pari ad 1/50º dell’angolo giro, esattamente 7,2°. Questo angolo è uguale all’angolo che dal centro della Terra sottende l’arco di circonferenza compreso tra le due città Siene e Alessandria. Si tratta infatti di due angoli corrispondenti tra due rette parallele tagliate da una trasversale. Eratostene dedusse che la circonferenza della Terra doveva misurare 50 volte la distanza tra le due città, le quali si trovavano a 5000 stadi di distanza. Nell’antico Egitto lo stadio era un’unità di misura di lunghezza che corrisponde circa a 157,6m. La misura della circonferenza risultò di: 39375 km, e quindi il diametro della Terra sarebbe stato di 12534 km. Pur non essendo il valore corretto, si avvicinò molto.

Sfera, ellissoide, geoide

Anche se visto dallo spazio il nostro pianeta sembra una grande palla blu, la sua forma geometrica è simile ad una sfera solo in prima approssimazione. Newton fu il primo ad intuire che la Terra, ruotando su se stessa, sviluppa una forza centrifuga diretta dall’asse di rotazione verso l’esterno, questa forza è massima in corrispondenza dell’equatore e diminuisce andando verso i poli. Newton dedusse che il pianeta doveva presentare uno schiacciamento in corrispondenza delle zone polari e quindi un rigonfiamento nelle zone equatoriali. Il solido geometrico che ha questa forma è l’ellissoide di rotazione che si ottiene facendo ruotare un’ellisse di 180° intorno a un dei suoi assi di simmetria. Per la Terra tale asse è quello che congiunge i due poli. La superficie terrestre però non è uniformemente liscia, ci sono masse rocciose ma ci sono anche avvallamenti perciò la sua forma non è esattamente riferibile ad alcun solido geometrico reale.
Questa irregolarità della superficie e la disomogeneità della sua struttura interna causano delle variazioni della forza di gravità, per tale motivo il solido che meglio approssima la forma della superficie terrestre è un solido ideale: il geoide.
Il geoide è un solido approssimativamente sferico la cui superficie è sempre perpendicolare alla direzione del filo a piombo e quindi della forza di gravità.

Per approfondimenti sulle discontinuità all’interno della terra vedi qua
Per approfondimenti sulla forza di gravità vedi qua

Struttura interna della Terra, strati e discontinuità.

La Terra ha una struttura stratificata, ci sono tre involucri, diversi sia per composizione chimica che per densità: la crosta, il mantello, il nucleo. Questi strati sono separati da delle discontinuità che hanno dei nomi ben precisi. Quella che separa la crosta dal mantello prende il nome di discontinuità di Mohorovicic, dal nome del geofisico croato che la scoprì nel 1909 studiando le onde sismiche, è detta anche brevemente Moho.
La superficie di separazione tra il mantello e il nucleo è identificata dalla discontinuità di Gutenberg che si trova ad una profondità regolare e costante di 2900 km ed ha una superficie sferica, a differenza della Moho che è molto più irregolare.
Esistono anche delle discontinuità minori che permettono di suddividere ulteriormente la crosta, il mantello e il nucleo in zone con proprietà diverse, e di conoscerne meglio la struttura. La più importante è la discontinuità di Lehmann, localizzata a 5170 km di profondità che indica il passaggio dall’nucleo esterno al nucleo interno e scoperta negli anni 60 osservando i sismogrammi prodotti dalle esplosioni nucleari.

Crosta mantello e nucleo

: questo è massimo in corrispondenza dei continenti soprattutto dove ci sono rilievi elevati, ma diventa molto sottile riducendosi a pochi chilometri, nei fondali dell’oceano. Ci sono due tipi di crosta quella continentale e quella oceanica, presentano diversi valori di densità e naturalmente anche di composizione chimica.
Il mantello, sotto la crosta, è formato a sua volta da due strati: litosfera o mantello litosferico e mantello inferiore o astenosfera. La litosfera è la parte rocciosa della Terra composta principalmente da crosta e parte del mantello solidifcato. Il mantello superiore si estende fino a circa 700 km di profondità. L’astenosfera è la parte fluida del mantello formata da materiali fusi e magma. Questa parte del è detta anche zona delle basse velocità ovvero uno strato del mantello nel quale la velocità delle onde sismiche si riduce moltissimo.
Ricordiamo che la conoscenza della composizione e della struttura del mantello si basa esclusivamente sull’analisi di dati sismici. Date le notevoli profondità non è pensabile fare degli scavi per andare a vedere che cosa c’è dentro. In base ai dati forniti dalle onde sismiche, si possono individuare tutte le caratteristiche del sottosuolo.
Il nucleo occupa la zona compresa tra il centro della terra e la discontinuità di Gutenberg. Il suo raggio è quasi la metà del raggio terrestre, circa 3500 km, perciò non lasciamoci ingannare dal termine nocciolo, non è fatto piccolo. Il nucleo rappresenta più del 14% del volume totale della terra e la sua densità è elevatissima, questa cresce linearmente verso il centro passando da

a

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In passato si pensava che il nucleo contenesse solo ferro o al massimo anche nichel, attualmente si considera la possibilità della presenza di altri elementi meno pesanti, come silicio, zolfo o ossigeno, perché la densità di un nucleo fatto di solo ferro o di ferro e nichel sarebbe molto maggiore dei valori calcolati. Il nucleo è diviso in due strati dalla discontinuità di Lehmann: la parte esterna è la parte di nucleo con comportamento fluido, Costituito prevalentemente di ferro fuso e nichel e altri elementi leggeri, il suo spessore è di circa 2270 km. Il nucleo interno è la parte più profonda, caldissima, ma si comporta come un solido.

Per ulteriori approfondimenti sulla struttura interna della terra vedi qua

Campo magnetico terrestre

, questo campo è simile a quello prodotto da una barra magneticadotata di due poli, posta al centro della Terra inclinata, rispetto all’asse di rotazione di circa 11,5°. I due poli magnetici non coincidono con i poli geografici: il Polo Nord magnetico si trova a nord del Canada ad una latitudine di circa 75° Nord, il Polo sud magnetico è localizzato a una latitudine di 68° sud. Il campo magnetico terrestre si estende anche all’esterno del pianeta e la sua intensità diminuisce con la distanza dalla Terra. Le linee del campo sono delle linee chiuse che escono dal polo sud magnetico ed entrano nel polo nord magnetico. La regione di spazio che circonda la Terra in cui si risente l’azione del campo geomagnetico, si chiama magnetosfera, questa zona è un vero e proprio scudo protettivo contro le radiazioni cosmiche. Il campo magnetico terrestre non ha avuto sempre lo stesso orientamento perché subisce delle inversioni di polarità: periodicamente i poli magnetici si scambiano di posizione e questi cambiamenti di polarità non si verificano con periodicità regolare ma sono molto frequenti. Le cause di queste inversioni sono ancora incerte, c’è da sapere che durante l’inversione la Terra è vulnerabile alle radiazioni cosmiche.

Moti della Terra, rotazione e rivoluzione

. La rotazione di un corpo nello spazio è il movimento che esso compie girando intorno al proprio asse, proprio come una trottola.
Il moto di rivoluzione è il movimento ciclico di un corpo celeste lungo un percorso di forma ellittica intorno ad un altro corpo celeste. La Terra compie un moto di rivoluzione intorno al Sole e la Luna, in maniera analoga, compie un moto di rivoluzione intorno alla Terra.
Il moto di rotazione della Terra avviene in senso antiorario cioè da ovest verso est e dura 23 ore 56 minuti e 4 secondi. La principale conseguenza di questo movimento è il ciclo quotidiano del dì e della notte cioè l’alternarsi di un periodo di luce è un periodo di buio. In ogni istante metà del pianeta è illuminata dal sole mentre l’altra metà si trova nell’oscurità; la linea immaginaria che separa le due metà si chiama circolo di illuminazione, si tratta di una linea di confine non proprio netta, infatti si ha il fenomeno della diffusione della luce attraverso l’atmosfera che illumina il cielo anche quando il Sole è sotto l’orizzonte.

Il moto di rivoluzione sempre in senso antiorario dura 365 giorni 6 ore 9 minuti e 10s.
Questo arco temporale è detto anche anno siderale, la velocità media della terra è di 107.000 km/h e la sua distanza media dal Sole è di circa 150 milioni di chilometri.
Facciamo riferimento a valori medi perché nell’orbita ellittica il sole occupa uno dei due fuochi (come descritto dalle leggi di Keplero) quindi la Terra non si trova sempre alla stessa distanza dalla stella. I punti di minima e massima distanza sono chiamati perielio e afelio.
La conseguenza più importante del moto di rivoluzione della terra è l’alternarsi delle stagioni astronomiche. Questi due moti sono fenomeni che condizionano direttamente la nostra vita e quella degli altri organismi, tanto che la misurazione del tempo si è basata, nell’antichità, proprio sulla periodicità di questi eventi astronomici.
Poiché il moto di rotazione intorno al proprio asse non è esattamente di 24 ore ma un po’ inferiore, questo ritardo si accumula e ogni quattro anni si forma un nuovo giorno che viene aggiunto al mese di febbraio, è si ha l’ anno bisestile perché ha 366 giorni anziché 365.

Per approfondimenti sui moti di rotazione e rivoluzione vedi anche qui