Geologia (schemi a cascata)

Geologia

Prof. Giovanni Muttoni

Email: giovanni.muttoni1@unimi.it

Esame

Prova scritta dopo quella pratica: 10 domande brevi scritte (3 punti a domanda).

Origine del sistema solare

Ogni modello di origine del sistema solare deve spiegare le attuali condizioni dei pianeti.

Tipi di pianeti

• Pianeti terrestri: rocciosi, piccoli, interni.
• Pianeti gioviani: gassosi (H e He), grandi, esterni.

Tutti i pianeti orbitano attorno al Sole nello stesso senso e circa sullo stesso piano (eclittica), con eccezioni: Mercurio e Plutone hanno orbite inclinate.

Tutti i pianeti ruotano su sé stessi su assi perpendicolari all'eclittica, con eccezioni: Urano e Plutone hanno assi di rotazione quasi paralleli all'eclittica.

Tutti i pianeti ruotano su sé stessi nella stessa direzione di rivoluzione e così fanno le loro lune, eccezione: Venere ha rotazione retrograda. Tutti i pianeti sono originati contemporaneamente.

Elementi della massa del sistema solare

• ~ 75% H
• ~ 25% He
• H e He costituiscono ~ 98% della massa totale
• 2%: O, C, N, Fe, Si

Siamo un sistema solare di seconda generazione che contiene elementi pesanti riciclati da stelle estinte.

Età del sistema solare

Per stimarlo, si considerano le età radiometriche delle condriti, meteoriti composte da polveri simili alla nebulosa primordiale e che non sono mai andate incontro a differenziamento planetario. Esse contengono CAI (Calcium Aluminium Inclusions) che possono essere datate. Le età delle CAI più antiche ad oggi ritrovate sono superiori a 4.56 miliardi di anni.

Le rocce più antiche presenti sulla Terra risalgono a 4 miliardi di anni fa, indicando che la Terra è attiva geologicamente.

Teoria della nebulosa (Kant)

Tutti i pianeti si sono originati dalla contrazione gravitazionale di una nube di gas e polveri chiamata Nebula, caratterizzata da bassa densità. Il meccanismo con cui si è innescata la contrazione gravitazionale è ancora non chiaro.

Formazione del Sole

1. Nebulosa solare: ammasso in rotazione di gas e polveri nello spazio interstellare.
2. 4.56 bya: inizio contrazione; densità maggiori di polveri e gas al centro formano il protosole.
3. Contrazione e rotazione formano una struttura discoidale con aumento della velocità di rotazione.
4. Il protosole diventa più denso e più caldo (energia gravitazionale si trasforma in energia termica).
5. Dopo circa 10 milioni di anni dall'inizio della contrazione, la temperatura raggiunge 1 milione di °K, innescando le prime reazioni nucleari (H → He), trasformando il protosole in una stella.

Formazione dei pianeti

Il disco protoplanetario è la porzione della nebula in rotazione lontana qualche unità astronomica dal centro, che ha dato origine ai pianeti. È composto da solidi o gas.

Temperatura di condensazione

Definisce il passaggio tra lo stato solido e gassoso:

• H e He hanno temperature di condensazione intorno a 0 °K, rimanendo quasi sempre gassosi.
• H₂O, CH₄, NH₃: solide solo a temperature basse (100 - 300 °K).
• Elementi pesanti (Fe, Si, Mg, S): solidi anche a temperature alte (1300 - 1600 °K).

Il gradiente di temperatura decresce con l'aumento della distanza dal centro del sistema solare, influenzando lo stato degli elementi:

• Regioni interne e calde: solo elementi pesanti allo stato solido.
• Regioni esterne fredde: solidi anche i composti dell'idrogeno (H₂O, CH₄, NH₃).

Aggregazione gravitazionale e collisioni

1. Polveri di silicati e metalli si aggregano.
2. Formazione dei planetesimi con diametro di circa 1 km.
3. Protopianeti con dimensioni della Luna (~1000 km) chiamati oligarchi.
4. Pianeti terrestri si formano da collisioni di oligarchi; fasi 2 e 3 sono le più difficili da avvenire.

Nelle regioni esterne, dove c'è più materiale allo stato solido, polvere e ghiaccio si aggregano e i gas leggeri, più lenti all'esterno, vengono catturati dai planetesimi e protopianeti in formazione, formando grandi pianeti con spesse atmosfere gassose.

Nelle regioni interne: formazione pianeti terrestri

1. Fase planetesimi: la contrazione gravitazionale aggrega polveri generando planetesimi con diametro di 1 km.
2. Fase runaway: crescita dei planetesimi fino a diametri di 1000 km in tempi rapidi (qualche centinaio di anni), fino a dimensioni simili a Marte.
3. Fase oligarchica: accrescimento dei pianeti per collisioni, interessando solo alcuni pianeti rocciosi come la Terra, ma non Marte.

Esempio: Prototerra e Theia si scontrano, Theia si fonde con la Prototerra. La Terra era già un pianeta differenziato, ma l'impatto causa la fusione totale e il materiale eiettato forma la Luna, che ha la stessa impronta geochimica della Terra. Questo impatto ha determinato le attuali condizioni di inclinazione dell'asse terrestre, angolo dell'eclittica, velocità di rotazione e distanza Terra-Sole.

La Terra si è formata in una posizione anidra, quindi l'acqua deve essere stata portata da collisioni con corpi provenienti da regioni più esterne.

Luna

La Luna continua ad allontanarsi e la Terra continua a rallentare, passando quantità di moto dalla Terra alla Luna. L'attrazione gravitazionale della Luna sulla Terra provoca maree che frenano la rotazione terrestre, e il piano della gravitazione è disassato dall'asse Terra-Luna, provocando un rallentamento della Terra.

Teoria della nebulosa spiega

1. Concentrazione della massa sul piano dell'eclittica e l'orbita di quasi tutti i pianeti nello stesso verso.
2. I pianeti terrestri sono formati da polveri di roccia e metalli perché le regioni interne erano più calde.
3. I pianeti gioviani si sono formati da ghiaccio e gas perché le regioni esterne erano fredde.
4. Nelle regioni fredde, oggetti dotati di massa sufficiente a catturare H rimangono allo stato di piccoli pianeti di ghiaccio (es: Plutone, comete, alcune lune dei pianeti esterni).
5. L'atmosfera dei pianeti terrestri è di origine interna (degassazione vulcanica), mentre quella dei pianeti gioviani si forma per cattura gravitazionale; i pianeti di ghiaccio non hanno atmosfera poiché sono troppo piccoli per catturarla e troppo freddi per emetterla.
6. Asteroidi (corpi rocciosi) e comete (corpi di ghiaccio e roccia) sono avanzi del processo di formazione dei pianeti.
7. Le età più antiche riscontrate nel sistema solare sono tutte intorno a 4.56 miliardi di anni, indicando che tutto si formò assieme.

Eccezioni

• Mercurio e Plutone hanno orbite inclinate.
• Venere ha rotazione retrograda.
• Urano e Plutone hanno assi di rotazione molto inclinati sull'eclittica, forse spiegati con collisioni catastrofiche tra i protopianeti.

Formazione Terra differenziata

Se la Terra si fosse accresciuta da planetesimi, avrebbe una struttura omogenea, invece ha strati:

• Nucleo:
  • Interno: solido
  • Esterno: liquido
• Mantello: viscoso, silicatico
• Crosta: solida

Composizione

• Fe 35%
• O 30%
• Si 15%
• Mg 13%
• Altri

Composizione crosta

• O 46%
• Si 28%
• Al 8%
• Fe 6%: il differenziamento ha spinto i metalli nel nucleo (se ci fosse troppo Fe in superficie, O₂ si consumerebbe con l'ossidazione del Fe)
• Mg 4%
• Ca 2.4%
• K 2.3%
• Na 2.1%
• Altri <1%

Atmosfera moderata

• N 77%
• O 21%
• CO₂, H₂O e altri gas <2%

Temperature moderate: ~ 14°C

Pressione: 1 atm

Oceani: 71% della superficie

Intensa attività tettonica e vulcanica per la termoregolazione.

Atmosfera

Origine dell'atmosfera

Protoatmosfera terrestre

Probabilmente costituita da H e He, formata per attrazione gravitazionale e erosa dal vento solare. Il campo magnetico terrestre non era abbastanza intenso per proteggere la Terra dal vento solare come fa oggi.

Campo magnetico terrestre:

• Dipolare
• Origine nel nucleo esterno
• Magnetosfera come scudo contro vento solare

In alcuni momenti, il vento solare riesce ad attraversare la magnetosfera e viene convogliato ai poli, causando aurore boreali.

Seconda atmosfera terrestre

Endogena, formata da degassazione vulcanica:

• H₂O 50-60%
• CO₂ 24%
• SO₂ 13%
• CO, S₂, Cl₂, N₂, H₂, NH₃, CH₄

Terza atmosfera terrestre

Composta da N, O, CO₂, H₂O e altri:

• Meno CO₂:
  • Dissoluzione in acqua
  • Utilizzo in materia organica (fotosintesi)
  • Formazione di HCO₃ da combinazione con vapore acqueo ed erosione rocce
• O₂ formato da CO₂ (fotosintesi)

Formazione H₂O:

• Late heavy bombardment
• Formazione oceani

Primi organismi viventi

Budget energetico della Terra

Del 100% di energia solare in entrata:

• 6% riflessa da atmosfera
• 20% riflessa da nubi
• 4% riflessa da superficie (calotte glaciali e deserti)

Albedo: capacità di un corpo di riflettere la luce

• 51% assorbita dalla Terra
• 16% assorbita da atmosfera
• 3% assorbita da nuvole

Energia riemessa tramite infrarosso:

• 6% direttamente dalla Terra
• 64% dall'atmosfera

L'energia che raggiunge la Terra è distribuita in modo disomogeneo a seconda della latitudine:

• Budget di energia in entrata e in uscita, curve a campana
• Dipende da angolo di incidenza e quindi dalla latitudine
• Le curve si intersecano ai tropici, indicando equilibrio
• Surplus di energia all'equatore (basse latitudini)
• Deficit di energia ai poli (alte latitudini)

Trasferimento di calore dall'equatore verso i poli.

Effetto serra

Effetto per cui gas serra impediscono o rallentano la fuoriuscita del calore (radiazione termica) dall'atmosfera.

Gas serra:

• CO₂
• CH₄
• Vapore acqueo

Alta pressione all'equatore, bassa pressione ai poli, causando venti da poli a equatore sulla superficie e da equatore a poli ad alte altitudini (gradiente di pressione).

Forza di Coriolis

Forza debole dovuta alla rotazione terrestre che sposta a destra i corpi in moto verso i poli.

F_c = 2mωsinΦ

Φ = latitudine; più è alta, più la F_c diventa importante, comunque dell'ordine di grandezza 10^-4.

Circolazione atmosferica

La forza risultante tra gradiente di pressione e forza di Coriolis genera il vento geostrofico (vento teorico), ma i venti reali differiscono a causa dell'attrito con il suolo.

Celle di Hadley: zone in cui è organizzata la circolazione atmosferica degli alisei (trade winds) e delle jet streams.

La forza di Coriolis provoca la deviazione degli alisei a destra nell'emisfero nord e a sinistra nell'emisfero sud, generando i jet stream subtropicali (O → E nell'emisfero nord).

La zona di convergenza intertropicale (ITCZ) è il punto di convergenza degli alisei e della cella di Hadley (circa all'equatore). Durante l'estate, si sposta verso il tropico corrispondente a seconda dell'emisfero, e per raggiungere questa zona i venti devono oltrepassare l'equatore, generando monsoni.

Oceani

Coprono il 70% della superficie terrestre.

Distribuzione degli oceani:

• Oceano Pacifico: 52% dell'oceano totale
• Oceano Indiano: 20%
• Oceano Atlantico: 25%
• Oceano Meridionale: unione delle parti meridionali dei 3 oceani

La temperatura degli oceani dipende dalla latitudine e quindi dal budget energetico.

Salinità

Non è omogenea:

• Massima ai tropici, dove evapora più di quanto piove
• Minima all'equatore, dove piove più di quanto evapora

Il risultato del rapporto tra evaporazione e precipitazione. I sali sono portati dai fumi con origine terrestre. La densità è funzione di temperatura e salinità, con acque superficiali più calde di 10°C.

Termoclino

Decremento della temperatura in profondità.

Circolazione oceanica

Determinata da due forze:

• Densità (termoalina), agisce a tutte le profondità, causando overturning.
• Stress fisico imposto dai venti, agisce fino a 500 m di profondità.

Circolazione superficiale indotta dai venti

Più vigorosa di quella termoalina. Circolazione oraria nell'emisfero boreale e antioraria nell'emisfero australe, convergendo all'equatore. Il grande circolo antartico è una corrente che circola attorno all'Antartide, con fuga verso est dall'Oceano Atlantico. Interviene la Forza di Coriolis, che causa il trasporto di Ekman, un movimento a spirale verso i poli fino a 100-200m di profondità.