Geologia e Litologia

Geologia e litologia

La nascita della geologia

Tra i più antichi documenti scritti ritrovati vi è qualcosa che assomiglia a una carta geologica: un papiro egiziano con una mappa in cui compaiono rilievi e diversi tipi di rocce.

La geologia è la branca delle Scienze della Terra che studia la Terra e i processi che la plasmano e la cambiano. È nata e si è sviluppata come disciplina scientifica tra il 1700 e il 1800, ma solo nel corso del 1900 ha compiuto passi decisivi. La formulazione della teoria più recente sulla struttura e sull'evoluzione del pianeta, ovvero la teoria della "Tettonica delle Placche", è stata considerata una delle maggiori conquiste scientifiche del XX secolo.

Metodo sperimentale

• Osservazione del fenomeno
• Raccolta dati
• Formulazione quesiti sui fenomeni naturali
• Formulazione di ipotesi (cercando collegamenti fra un fenomeno e un altro)
• Se l'ipotesi è giusta diventa legge (descrive il fenomeno)
• Se la legge è approvata diventa teoria (spiega il fenomeno)

Tutto questo consente di prevedere nuovi fenomeni e di progettare interventi sull'ambiente. È indispensabile però evitare che gli interventi antropici sull'ambiente risultino dannosi, se non catastrofici.

Le componenti del sistema Terra

Il nostro pianeta è un Sistema Integrato: insieme di componenti, ciascuna con la propria individualità, che interagiscono strettamente tra loro attraverso una complessa serie di processi fisici, chimici e biologici. Le singole parti che costituiscono il Sistema Terra si possono considerare come "involucri" (o sfere):

• Litosfera (roccia): Ovvero la Terra Solida. Corrisponde alla maggior parte della massa del pianeta. Formata da minerali e rocce. Costituisce le terre emerse ma anche il fondo degli oceani.
• Idrosfera (acqua): Strato di acque che ricopre oltre il 70% della Terra. Comprende le acque del sottosuolo, di fiumi, laghi, mari e oceani. Della idrosfera fa parte anche la Criosfera ovvero l'acqua allo stato solido presente nelle calotte glaciali, nei ghiacciai di montagna e nei mari polari.
• Atmosfera (aria): Ovvero l'involucro aeriforme che avvolge la Terra. Si manifesta con ammassi e vortici di nubi.
• Biosfera (vita): Comprende tutti gli organismi che vivono sulle terre emerse, in mare e nell'atmosfera.

L'aspetto attuale della Terra è il risultato di un equilibrio dinamico che comprende continui scambi tra crosta terrestre e oceani, tra atmosfera, terre emerse e oceani, tra interno del pianeta e superficie terrestre.

Idrosfera, atmosfera e litosfera

I processi che operano nell'Idrosfera e nell'Atmosfera modellano la Litosfera.

Esempio: I corsi d'acqua scavano le valli con l’erosione delle rocce e il successivo trasporto dei minerali. Quando i fiumi giungono al mare, i detriti rocciosi vengono depositati e vanno incontro a un processo che li trasformerà in rocce sedimentarie.

Anche l'Atmosfera produce effetti sulle rocce.

Esempio: L'erosione delle rocce da parte del vento che poi deposita altrove i frammenti prodotti. La composizione delle rocce può venire alterata in superficie dalle sostanze contenute nell'aria.

Atmosfera e biosfera

La presenza dell'atmosfera è di fondamentale importanza per la biosfera.

• L'atmosfera limita le escursioni termiche giornaliere entro valori compatibili con la vita.
• La presenza dell'ozono determina l'assorbimento delle radiazioni ultraviolette provenienti dal sole, nocive per gli esseri viventi.

Terra e esseri umani

Gli esseri umani modificano l'ambiente in modo profondo prelevando dal pianeta enormi quantità di materie prime, disperdendo nell'ambiente rifiuti e scarti di lavorazione, modificando il paesaggio con i propri insediamenti. Le attività antropiche modificano in modo irreversibile i processi che regolano i delicati equilibri tra le diverse componenti del sistema.

Raccolta dei dati

• Immagini da satellite: Consentono il monitoraggio di vaste aree della superficie terrestre.
• Ecoscandaglio: Sofisticato strumento delle navi oceanografiche che impiega gli ultrasuoni per rilevare con continuità la profondità del fondo del mare.
• Palloni-sonda: Consente di effettuare misurazioni sempre più precise nell'atmosfera.

Ricerca della struttura interna del pianeta

Geofisica: Scienza che studia i fenomeni fisici a livello dell'intero pianeta. Studio della gravità, del campo magnetico naturale, del flusso di calore e delle onde sismiche.

Onde sismiche: Vibrazioni prodotte da un terremoto o da un'esplosione militare.

Le risorse del pianeta

Gli esseri umani trovano nel pianeta risorse per la loro sopravvivenza e per le loro attività in continua espansione. Le risorse comprendono prodotti agricoli, il legno e tutti gli altri prodotti dei sistemi biologici, l'acqua, i metalli, le sostanze chimiche e i combustibili fossili.

Risorsa: Quantità totale di un certo materiale o di una forma di energia disponibile oggi sulla Terra, come conseguenza degli eventi geologici che ne hanno determinato l'origine e l'accumulo.

Fonti di energia rinnovabili

• Energia geotermica: Associata al flusso di calore che risale continuamente dalla Terra. In certe aree il flusso di calore è più elevato e le rocce sono così calde che, l'acqua che vi giunge, viene trasformata in vapore ad alta temperatura e pressione. A volte il vapore può risalire in superficie con violenza formando i soffioni, ma spesso rimane imprigionato in profondità e può essere fatto risalire con opportune perforazioni e condotto a far muovere apposite turbine che producono energia. L'energia geotermica non è rinnovabile in senso stretto perché il calore della Terra va gradualmente disperdendosi.
• Energia solare: Si tratta di un impiego diretto dell'energia che proviene dal Sole. È una fonte veramente inesauribile. Più efficace è l'uso indiretto dell'energia solare, approfittando dei processi da essa mantenuti attivi nell'idrosfera e nell'atmosfera, come avviene nel caso dell'energia idraulica e dell'energia eolica. Un altro impiego indiretto è lo sfruttamento della biomassa, cioè della materia organica presente nella biosfera che impiega l'energia del Sole per i propri processi di crescita. Esempio: Legna o altro materiale da ardere.

Fonti di energia non rinnovabili

• Combustibili fossili: Carbone, petrolio e gas naturali. Miscugli di sostanze organiche, derivate dalla lenta trasformazione chimica di vasti accumuli di resti di organismi, animali o vegetali, che vicende geologiche hanno sepolto entro la crosta terrestre nel corso di milioni di anni. Quando bruciano liberano energia.
• Combustibili nucleari: Minerali che contengono elementi come l'Uranio e il Torio. Attraverso un processo fisico detto decadimento radioattivo, si trasformano lentamente in elementi diversi e, nel fare questo, liberano energia. Utilizzati nelle centrali nucleari, impianti estremamente potenti nella produzione di energia elettrica, molto discussi dal punto di vista della sicurezza.

Materie prime presenti nella litosfera

Materiali che, usati direttamente così come si presentano, oppure dopo opportune trasformazioni, sono alla base delle loro molteplici attività. Le concentrazioni locali di materie economicamente sfruttabili sono dette giacimenti minerari. Le risorse minerarie sono legate a processi di litogenesi, cioè all'insieme di processi che hanno prodotto e continuano a produrre i numerosi tipi di rocce che formano la litosfera.

• Sedimenti: Accumuli di materiali diversi formati in superficie dal vento, dai ghiacciai in movimento o dalle acque. Esempio: Sabbie e ghiaie che si depositano sul letto di fiumi e mari. I sedimenti con il tempo si trasformano in rocce sedimentarie. Esempio: Arenarie, utilizzate come materiale da costruzione. Largo impiego nell'edilizia hanno anche le rocce magmatiche, che derivano dal raffreddamento del magma che risale in superficie dall'interno della Terra. Molte di queste diventano rocce ornamentali. Esempio: Graniti. Alle rocce magmatiche sono associati i giacimenti di minerali ricercati quali Ferro, Piombo, Zinco, Rame, Oro e pietre preziose.
• Fondali oceanici: Sono le nuove frontiere per il ritrovamento di risorse minerarie. Sono stati trovati vasti accumuli di noduli polimetallici ricchi di Manganese, Ferro, Cobalto, Nichel e altri metalli. Il loro sfruttamento pone grandi problemi tecnici ma le riserve sono immense.

Problemi ambientali derivanti dall'azione antropica

I problemi ambientali nascono in situazioni che provocano variazioni degli equilibri tra le diverse sfere e comportano trasformazioni del sistema Terra. Impatto ambientale: Effetti e conseguenze delle attività antropiche sull'ambiente.

• Erosione del suolo: Erosione di quella sottile coltre di minerali e sostanze organiche che riveste gran parte della crosta terrestre e sulla quale si sviluppa la vegetazione o si impiantano le colture agricole. Erosione accelerata: Erosione molto rapida e intensa. Porta alla perdita totale del suolo. All'origine di un processo di erosione accelerata molto spesso si riconosce l'attività antropica che interviene in modo dannoso sul territorio.
• Inquinamento: Immissione nell'aria e nelle acque di sostanze in quantità tali da modificare le caratteristiche dell'atmosfera e dell'idrosfera, tanto da produrre conseguenze dannose per la biosfera. Le attività dell'uomo immettono in circolazione alcune sostanze in quantità e concentrazioni molto massicce, tanto da superare la capacità dell'idrosfera e dell'atmosfera di diluire queste sostanze fino a ridurle a concentrazioni innocue.

L'ambiente celeste

La posizione dell'ambiente celeste

Guardando il cielo notturno si ha l'impressione che la Terra stia al centro di un'enorme sfera cava, sulla cui superficie interna vediamo proiettati tutti gli astri. Questa Sfera Celeste sembra ruotare intorno a noi da Est verso Ovest, in realtà è il nostro pianeta che ruota su se stesso in senso contrario, quindi da Ovest a Est, girando attorno a un ideale asse terrestre, il cui prolungamento nello spazio, dalla parte del Polo Nord, sfiora una piccola stella che viene appunto chiamata Stella Polare.

La Sfera Celeste si usa quando si vuole determinare la posizione di un astro qualsiasi rispetto alla Terra. Per fare questo è necessario fissare alcuni elementi di riferimento:

• Poli celesti Nord e Sud: 2 punti in cui l'asse terrestre prolungato nello spazio incontra la sfera celeste.
• Zenit: Punto in cui la verticale innalzata sopra la testa di un osservatore incontra la volta celeste.
• Nadir: Punto opposto allo Zenit
• Orizzonte celeste: Circonferenza massima che divide la sfera celeste in un emisfero superiore e uno inferiore.

Le stelle ci appaiono come punti luminosi distribuiti in ogni direzione sulla sfera celeste. Per localizzare rapidamente la posizione dei corpi celesti si fa riferimento alle Costellazioni: che raggruppano stelle che si trovano a diversa distanza dalla Terra e solo a causa della prospettiva appaiono sullo stesso piano.

La posizione assoluta degli astri sulla sfera celeste viene indicata utilizzando le coordinate celesti:

• Declinazione celeste: Distanza angolare tra la stella considerata e il piano dell'Equatore celeste.
• Ascensione retta: Distanza angolare della stella dal meridiano celeste che passa per il punto "y" (punto particolare situato nella costellazione dell'Ariete).

In Astronomia, per esprimere le enormi distanze tra i corpi celesti, si utilizzano varie unità di misura:

• Unità astronomica (U.A.): Pari alla distanza media tra la Terra e il Sole (circa 149.600.000 km)
• Anno-Luce (a.l.): Distanza percorsa in un anno dalla radiazione luminosa che si muove alla velocità di circa 300.000 km/s. 1 anno luce = 9463 miliardi di km. Oggi si osservano i corpi celesti come erano nel passato.
• Parsec (parallasse secondo, pc): Distanza di un punto dal quale l'osservatore vedrebbe il semiasse maggiore dell'orbita terrestre, perpendicolarmente, sotto un angolo di 1". Si basa sulla misura accurata dell'angolo di parallasse che indica lo spostamento apparente di un oggetto rispetto a un punto di riferimento molto lontano, quando quell'oggetto viene osservato da 2 punti di vista diversi.

Le caratteristiche delle stelle

La diversa luminosità con cui vediamo le stelle è detta Magnitudine Apparente (m), una grandezza che viene misurata con fotometri fotoelettrici. In base alla loro luminosità apparente le stelle vengono divise in 6 classi, (1° = Più luminosa, 6° = Più debole ma ancora visibile).

La diversa luminosità con cui vediamo le stelle è dovuta alla loro differente capacità di emettere luce, ma soprattutto alla loro diversa distanza. Per questa ragione si è definita la Magnitudine Assoluta (M), cioè la luminosità che le singole stelle mostrerebbero se fossero poste alla distanza standard dalla Terra di 10 parsec cioè 32,6 anni luce.

Spesso le stelle formano sistemi in cui due astri ruotano intorno a un baricentro comune e vengono chiamate stelle doppie. Massa e diametro delle stelle variano entro limiti molto ampi. Il colore delle stelle dipende dalla loro temperatura superficiale: da 3000 K (stelle di colore rosso) a 60.000 K (stelle di colore bianco-azzurro).

La composizione chimica della parte esterna delle stelle risulta caratterizzata da:

• 80% Idrogeno
• 19% Elio
• 1% Tutti gli altri elementi chimici

Effetto Doppler

Le stelle si muovono ma il loro movimento è per noi impercettibile a causa della grande distanza. Attraverso la spettroscopia si può capire se un corpo celeste si sta avvicinando o allontanando dalla Terra. Lo studio dell'Effetto Doppler sugli spettri delle stelle consente di valutare se i corpi celesti si avvicinano o si allontanano rispetto alla Terra a seconda che il loro spettro si sposti verso il rosso o il blu.

Se le righe dello spettro si spostano verso il blu vuol dire che si sta avvicinando, come se le lunghezze d'onda venissero "schiacciate". Se le righe dello spettro si spostano verso il rosso vuol dire che si sta allontanando, come se le lunghezze d'onda venissero "stirate/allungate". Lo spazio tra le stelle non è vuoto ma è occupato da materia interstellare che forma le nebulose.

L'evoluzione dei corpi celesti

Stella: Sfera di plasma (gas ionizzato) che genera luce e calore mediante processi di fusione nucleare, queste reazioni liberano enormi quantità di energia. Le stelle hanno un'evoluzione: alcune si stanno formando per condensazione di parti di nebulose, altre bruciano stabilmente il loro combustibile nucleare e altre si avviano verso la loro fase finale.

L'evoluzione dei vari tipi di stelle è sintetizzata nel Diagramma H-R (Hertzsprung – Russell) (in ascisse (x) la T° superficiale delle stelle e in ordinata (y) la loro luminosità). In questo diagramma la maggior parte delle stelle si distribuisce lungo la sequenza principale.

Al di fuori della sequenza principale si trovano:

• Giganti rosse
• Supergiganti
• Nane bianche

Le stelle si formano per addensamento e contrazione di parte di una nebulosa. Se la massa è scarsa, si forma una nana bruna altrimenti si innescano le reazioni termonucleari e la stella inizia la sua evoluzione. La posizione e la permanenza di una stella nella sequenza principale nel diagramma H-R dipende dalla massa iniziale della nebulosa da cui si è originata:

• Stelle nate con grande massa diventano più calde, blu
• Stelle con piccola massa rimangono meno calde, rosse e più longeve.

Lo stadio evolutivo seguente è per tutte quello di Gigante Rossa. Dopo la fase di Gigante Rossa l'evoluzione stellare procede in modo diverso a seconda della massa iniziale della stella.

• Massa iniziale < di quella del Sole: Nane bianche.
• Massa iniziale = o > di quella del Sole: Nane Bianche ma prima possono esplodere in una Nova.
• Massa iniziale > 10 volte di quella del Sole: Supernova. Queste lasciano nello spazio grandi quantità di polveri che alimentano le nebulose. Il materiale che rimane dopo l'esplosione origina una stella di neutroni.
• Massa iniziale > 10 volte di quella del Sole, dopo la fase di Supernova: Buchi neri.

Le galassie e la struttura dell'universo

Le stelle sono raccolte in galassie e sono tutte tenute insieme dalla gravità ed orbitano attorno ad un centro comune. La nostra galassia è la Via Lattea, comprende almeno 100 miliardi di stelle e ha la forma di un disco centrale da cui si dipartono lunghi bracci a spirale. Ha un diametro di 100.000 a.l. All'interno della galassia sono presenti gli ammassi stellari, gruppi di stelle relativamente vicine tra loro che si muovono tutte insieme.

Le galassie oltre che a spirale possono essere:

• Ellittiche
• A spirale barrata
• Globulari
• Irregolari

Le galassie tendono a riunirsi in ammassi e super-ammassi che avvolgono enormi "bolle" di spazio relativamente vuoto. Nell'universo sono presenti numerose "Radiosorgenti", cioè oggetti che emettono onde radio:

• Alcune corrispondono a Supernovae
• Altre sono Radiogalassie
• Altre ancora sono Quasar, corpi d'apparenza stellare che producono emissioni radio di grandissima intensità.

Origine ed evoluzione dell'universo

Lo scienziato E. P. Hubble (1929) osservò, negli spettri di alcune galassie, un fenomeno che portava alla conclusione che l'universo è in espansione. Questo ha dato origine alla teoria del Big Bang, secondo cui l'universo ha avuto origine da un punto di densità e temperatura infinita, espandendosi fino a formare ciò che osserviamo oggi.