Angela Mossudu. Noi. e la Terra. Atmosfera - Litosfera. Edizione mista

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1 Angela Mossudu Noi e la Terra Atmosfera - Litosfera Edizione mista

2 La dinamica delle placche.1 Placche: unità strutturali e funzionali Quando Wegener formulava la teoria della deriva dei continenti, sulla natura dei fondali oceanici si sapeva molto poco. Egli immaginava i continenti alla deriva come immense zattere che, come le navi rompighiaccio, si aprivano lentamente la strada nel sima che costituiva i bacini oceanici. In seguito, gli studi sui fondali marini hanno permesso di individuare la chiave di lettura per interpretare la dinamica della superfcie terrestre. La scoperta delle dorsali, di catene di vulcani sottomarini, delle fosse oceaniche, del piano di Benjoff e della sbduzione, hanno indirizzato gli studiosi a comprendere che l unità fondamentale del movimento non era il continente, ma la placca litosferica. Oggi sappiamo che i continenti e gli oceani sono solo la parte superfciale delle placche e il fenomeno della deriva dei continenti è solo una delle tante espressioni di una realtà molto complessa, quella della formazione e della distruzione delle placche, che ha portato a collocare tutti i fenomeni della dinamica terrestre in un unico modello globale. Quella della tettonica delle placche è la teoria unifcatrice di tutte le scoperte. I margini delle placche Le placche si muovono e lo fanno in maniera lenta, ma costante, senza grandi variazioni di velocità. Si muovono l una rispetto all altra secondo i cosiddetti movimenti relativi, variabili tra 1 e 150 mm all anno, senza però perdere la contiguità: praticamente, sono sempre in contatto reciproco lungo i margini, cioè lungo le fasce periferiche sottili e allungate. I contatti si realizzano secondo differenti modalità, ma generalizzando possiamo riconoscere tre fondamentali tipi di interazioni e perciò tre tipi di margini: divergenti o costruttivi; convergenti o distruttivi e conservativi [fgura 2.1]. Sono divergenti, o costruttivi, i margini che corrispondono alle dorsali oceaniche: in essi le placche si accrescono in quanto si forma nuova litosfera oceanica. Sono considerati margini divergenti anche i rift continentali: è il caso, per esempio, della Grande Rift Valley dell Africa orientale. Sono convergenti, o distruttivi, i margini di due placche in collisione. Quando due placche si scontrano, una tende a scivolare sotto l altra distruggendo, nel processo denominato subduzione, parte della litosfera. Ciò avviene in corrispondenza delle fosse oceaniche o delle catene montuose recenti. I margini conservativi corrispondono ad alcune grandi faglie trasformi lungo le quali due placche scorrono orizzontalmente, l una accanto all altra, in direzioni opposte, senza che si verifchi distruzione o costruzione di litosfera. Lungo questi margini si riscontrano fenomeni di metamorfsmo e terremo- Figura 2.1 Rappresentazione semplifcata dei tre tipi di margini: a) divergenti o costruttivi; b) convergenti o distruttivi; c) conservativi o trasformi. a) b) c) margini divergenti margini convergenti margini conservativi 20

3 LA DINAMICA DELLE PLACCHE 21 ti violenti. Faglie trasformi il cui comportamento è analogo sono quelle che si trovano, non ai margini, ma all interno delle placche, nelle dorsali oceaniche [U1 par. 3]. In una placca possono coesistere sia margini costruttivi sia distruttivi: è il caso della placca sudamericana che è delimitata sia da fosse oceaniche sia da dorsali. Una placca può essere delimitata da margini per lo più costruttivi: è il caso della placca africana che, essendo compresa tra la dorsale atlantica e la dorsale indiana, continua ad aumentare in estensione. Naturalmente, se una placca aumenta le sue dimensioni, in qualche altra si riducono: è il caso della placca pacifca i cui margini sono tutti in subduzione, è cioè contornata da margini distruttivi. Fai il punt In che senso le placche sono le unità strutturali e funzionali nell ambito della dinamica della litosfera? Che cosa vuol dire che le placche sono in moto relativo? Quali tipi di margini si individuano nelle placche? O lungo margini: 1. divergenti o costruttivi (si formano o si accrescono gli oceani) 2. convergenti o distruttivi (si formano fosse oceaniche e montagne) 3. conservativi (si originano sismi).2 I movimenti delle placche Esaminando i diversi tipi di margini abbiamo schematizzato i possibili movimenti relativi delle placche litosferiche in maniera molto semplice; in realtà, la situazione è piuttosto complessa, in quanto la litosfera che interagisce può essere oceanica o continentale. Perciò ora analizziamo in successione i diversi tipi di interazioni tra le placche e i fenomeni che ne derivano. In maniera sintetica possiamo dire che si riconoscono i seguenti casi: le placche divergono (si allontanano); le placche convergono (entrano in collisione); le placche non convergono e non divergono. Quando le placche divergono Il caso riguarda sia l allontanamento di margini di litosfera oceanica sia l allontanamento di margini di litosfera continentale [fgura 2.2]. Quando due placche divergono si formano bacini oceanici: si accre- Figura 2.2 In Islanda la dorsale medio-atlantica emerge, a testimonianza dell allontanamento delle placche nordamericana ed eurasiatica. sce un bacino esistente oppure se ne forma uno nuovo. I margini divergenti si originano, per la risalita di magma astenosferico, nella zona in cui il fusso ascendente delle correnti convettive urta la litosfera. Il fusso ascendente di magma, non trovando una via d u-

4 TERRA: UN PIANETA DINAMICO a) b) c) d) 22 scita, diverge sotto la crosta creando fortissime tensioni. La crosta dapprima si inarca, poi si assottiglia progressivamente e, quando non sopporta più la pressione, si lacera. Dalla frattura fuoriesce il magma astenosferico e così si originano le dorsali oceaniche. Il magma che fuoriesce, raffreddandosi, crea continuamente nuovo pavimento oceanico: ogni nuova emissione di magma lungo la dorsale spinge lateralmente le colate precedenti, che si sono già solidifcate, e così i fondali oceanici si espandono. La litosfera oceanica più lontana dalla dorsale, e quindi più vecchia, raffreddandosi si contrae, diventa così più densa e pesante e sprofonda maggiormente nel mantello [fgura 2.3]. Il processo che porta alla formazione di un nuovo bacino oceanico, naturalmente, è stato descritto nelle linee essenziali per facilitarne la comprensione. In realtà è piuttosto complesso e le fasi di inarcamento e di lacerazione, seguiti da iniziali tentativi di rinsal- astenosfera rift continentale risalita di magma basaltico nuova litosfera oceanica margine continentale dorsale nuovo oceano inarcamento e fratturazione litosfera continentale Figura 2.3 La successione degli eventi che portano, iniziando dalla formazione di un rift continentale, all apertura di un nuovo oceano. dare i lembi di litosfera, possono anche ripetersi più volte, prima che la litosfera si fratturi defnitivamente. Tutto il processo, inoltre, non genera solamente la frattura lungo l asse della dorsale, cioè la rift valley, ma produce anche altre fratture minori, le faglie trasformi, che, tagliando trasversalmente le dorsali, ne interrompono la continuità. L'evoluzione degli oceani La formazione di un bacino oceanico richiede centinaia di milioni di anni e, attualmente, sulla superfcie del nostro Pianeta possiamo distinguere oceani in diversi stadi evolutivi. L Oceano Pacifco si trova nello stadio di vecchiaia. Si può affermare ciò in quanto nei suoi fondali la subduzione prevale sull espansione. Pertanto, prima o poi, l oceano è destinato a scomparire, forse fra 200 milioni di anni, e questo determinerà la collisione tra l Asia e il Nordamerica (nascerà una nuova Pangea?). L Oceano Atlantico è un oceano in fase matura. Il processo di formazione è iniziato circa 130 milioni di anni fa e continua, attualmente, alla velocità di 2 cm circa ogni anno. Anche l Oceano Indiano è in fase di ampliamento. Il Mar Rosso si può considerare un oceano in fase giovanile. La sua origine è legata alla divergenza tra la placca araba e quella africana: la frattura che si apre tra le due placche di litosfera continentale viene riempita dal magma proveniente dal mantello e così si produce nuova litosfera oceanica. La divergenza è iniziata circa 20 milioni di anni fa e il bacino, attualmente, è largo circa 300 km [fgura 2.4]. Una situazione ancora più iniziale, rispetto a quella del Mar Rosso, è quella che si sta verifcando nella regione della Grande Rift Valley. I rift continentali vengono considerati margini divergenti in uno stadio embrionale. Riguardo ai margini divergenti, sia nel caso di due margini oceanici sia nel caso di due margini continentali, in corrispondenza della frattura si generano: nuova litosfera oceanica, attività vulcanica, legata alla risalita di materiale astenosferico fuso, e terremoti. Questi ultimi sono superfciali a causa dell esiguo spessore della crosta oceanica. Figura 2.4 La frattura tra la placca arabica e quella africana corrisponde oggi al Mar Rosso, un oceano in fase giovanile. Nilo A f r i c a rift continentali n i L. Vittoria L. Tanganica L. Nyasa Penisola Arabica Mar Rosso Rosso Depressione es di Afar M. Kenya G. di Aden M. Kilimangiaro ima Oceano Indiano

5 LA DINAMICA DELLE PLACCHE 23 Quando le placche convergono bacino di retroarco cintura di vulcani fossa oceanica oceano Le situazioni che si riferiscono alla convergenza di due placche si possono ricondurre a tre tipi: convergenza di margini di litosfera oceanica; convergenza di un margine di litosfera oceanica con uno di litosfera continentale; convergenza di margini di litosfera continentale. Vediamo in successione quali fenomeni di origine endogena sono legati a ciascuna delle tre situazioni. crosta continentale mantello superiore magma in risalita piano di Benjoff astenosfera Figura 2.5 Collisione di placche con margini di litosfera oceanica: sono evidenti la fossa in pieno oceano e i vulcani. crosta oceanica Convergenza di margini di litosfera oceanica La collisione tra due placche di litosfera oceanica determina lo sprofondamento, o subduzione, di una delle due sotto l altra: la placca che sprofonda è quella più vecchia, in quanto risulta più fredda e pesante. La subduzione avviene lungo un piano inclinato (con una pendenza compresa tra i 40 e i 70 circa), detto piano di subduzione o di Benjoff. Ecco cosa accade in seguito alla subduzione [fgura 2.5]. Lungo i margini convergenti si forma una fossa in pieno oceano, cioè lontano dai margini continentali. La placca che va in subduzione, giungendo a una certa profondità (alcune centinaia di chilometri), incontra temperature elevate che ne determinano la fusione: si produce così nuovo magma. Questo magma, favorito dalla minore densità rispetto alle rocce circostanti, risale attraverso la litosfera dell altra placca e, incontrando spaccature, fuoriesce sulla sua superfcie: si generano così, parallelamente alle fosse oceaniche, cinture di vulcani (vulcanesimo sottomarino). Col tempo, le sommità dei vulcani emergono dalle acque e il continuo depositarsi di lava e ceneri le trasforma in isole: si origina un arco vulcanico insulare. L intero arco insulare ha un andamento curvilineo e allungato e si snoda parallelamente alla fossa. Tra il limite superiore della fossa e l arco vulcanico è compresa un area, denominata intervallo arco-fossa, che può emergere parzialmente dalle acque oceaniche, oppure rimanere completamente sommersa. Oltre l arco insulare, procedendo verso l interno del continente, si forma un bacino oceanico di piccole dimensioni, il bacino di retroarco: è il caso, per esempio, di mari interni come il Mar del Giappone o il Mare Cinese. I sistemi fossa-arco vulcanico insulare sono numerosi nell Oceano Pacifco. Partendo da Nord si incontrano: le isole e la fossa delle Aleutine; le isole e la fossa delle Kurili; l isola e la fossa del Giappone, che a Sud si biforca originando, sul lato dell oceano, l isola e la fossa delle Marianne e, sul lato del continente asiatico, l isola e la fossa delle Filippine. Nell Atlantico ci sono due piccoli archi insulari: quello delle Piccole e Grandi Antille nei Caraibi e le isole Sandwich australi a Est della Terra del Fuoco. Una fossa è presente anche nel Mediterraneo: è la fossa ellenica che si è originata per la subduzione della placca africana sotto la piccolissima placca ellenica. Concludendo, quando due margini di litosfera oceanica convergono, si producono: nuova astenosfera, fosse oceaniche, cinture di vulcani e archi insulari; poiché inoltre tutto il processo di collisione è accompagnato da fortissime tensioni a carico della crosta, si originano anche violenti terremoti. Convergenza di un margine di litosfera oceanica con uno di litosfera continentale Questo caso, per quanto concerne la dinamica complessiva, è simile a quello della collisione tra margini oceanici, ma gli effetti che ne derivano sono differenti. Il processo di convergenza inizia anche in questo caso con la subduzione, cioè una delle due placche sprofonda sotto l altra. Poiché la litosfera oceanica è più densa e pesante di quella continentale, lo scontro porta la placca oceanica a sprofondare lungo il piano di Benjoff, verso l astenosfera, mentre la placca continentale si solleva e si frattura. Nei punti in cui la litosfera oceanica sprofonda sotto quella continentale si formano fosse oceaniche; in questo caso, però, le fosse si

6 TERRA: UN PIANETA DINAMICO I margini continentali A questo punto precisiamo che i margini continentali possono essere attivi o passivi. I margini continentali attivi coincidono con i margini di placca che si trovano in prossimità delle linee di subduzione. Si presentano come fasce relativamente strette formate da sedimenti altamente deformati, spinti dalla placca oceanica discendente contro il margine del continente. Numerosi margini attivi si trovano lungo i bordi dell Oceano Pacifco e sono sede di terremoti, di attività vulcanica e orogenesi. I margini continentali passivi sono distanti dai margini delle placche e dal punto di vista tettonico sono inattivi. Corrispondono alle zone in cui la crosta continentale si continua in quella oceanica all interno della stessa placca litosferica. Ogni margine continentale passivo, che comprende la piatformano al margine della piattaforma continentale e non in pieno oceano come nel caso precedente. Il magma che si origina dalla parziale fusione della placca oceanica risale attraverso le fratture del margine continentale e ha due destini: in parte raggiunge la superfcie continentale e genera catene di vulcani attivi, come nel caso degli archi insulari, in parte si accumula all interno della crosta continentale. Il magma accumulatosi nella crosta continentale e la placca oceanica in subduzione esercitano una forte pressione nei confronti della placca continentale, in prossimità della costa, e ne determinano il sollevamento. Si origina così una catena montuosa di origine vulcanica, chiamata cordigliera vulcanica, che ha come base degli enormi blocchi granitici detti batoliti, derivati dalla solidifcazione del magma all interno della crosta Lungo la fascia di confne tra la placca discendente e quella sovrastante si originano terremoti via via più profondi man mano che ci si allontana verso il centro della litosfera continentale. Una collisione di questo tipo determina anche la scomparsa di litosfera oceanica e quindi l eventuale chiusura di un oceano preesistente [fgura 2.6]. L esempio più noto di collisione tra placca oceanica e continentale è quello che ha determinato la nascita della Cordigliera delle Ande nel margine orientale dell Oceano Pacifco [fgura 2.7]. Le placche coinvolte nel processo sono quella di Nazca (con litosfera oceanica) e quella sudamericana (con litosfera continentale). La loro collisione, determinando la subduzione della placca di Nazca, ha generato la fossa di Atacama (o fossa Cile-Perù). crosta continentale mantello superiore astenosfera catena di vulcani magma in risalita piano di Benjoff Figura 2.6 Collisione tra una placca oceanica e una continentale. fossa oceanica oceano In sintesi, quando litosfera oceanica e litosfera continentale convergono si originano catene di vulcani, fosse oceaniche e terremoti di varia profondità e scompare litosfera oceanica. crosta oceanica Figura 2.7 In seguito alla collisione tra la placca di Nazca e quella sudamericana (a) ha avuto origine la Cordigliera delle Ande (b). a) b) dorsale oceanica fossa oceanica Ande Oceano Pacifico Oceano Atlantico placca di Nazca placca sudamericana 24

7 LA DINAMICA DELLE PLACCHE 25 anche catastrofci. Un esempio di margine conservativo attivo (o faglia trasforme) ce lo offre la faglia di San Andreas, lunga centinaia di chilometri, che collega due tratti di dorsale oceanica situati uno a Nord- Ovest della California e l altro all interno del Golfo di California [fgura 2.11]. In corrispondenza di tale faglia, la placca Nordamericana trasla verso Sud-Est, mentre la placca Pacifca si sposta verso Nord-Ovest; la velocità di scorrimento è di circa 5 cm all anno. Anche le faglie trasformi delle dorsali oceaniche sono margini lungo i quataforma continentale e la scarpata continentale, è sede di intensa sedimentazione: vi si accumulano i materiali erosi dalle terre emerse adiacenti. Sono margini tipici dei continenti che si trovano ai bordi dei bacini oceanici in espansione (Oceano Atlantico). Convergenza di margini di litosfera continentale La collisione tra margini continentali si verifica quando una placca oceanica, in collisione con una continentale, trascina con sé anche un continente: col passare del tempo la litosfera oceanica si esaurisce a causa della subduzione e i due margini continentali entrano in contatto. Questi si saldano e, per effetto della compressione, si deformano e si accavallano sviluppando grandi catene montuose e retrostanti altopiani [fgura 2.8]. Sono nate così le Alpi, sollevatasi con il progressivo accostamento dell Africa all Europa, e l Himalaya, formatasi in seguito allo scontro tra la placca indo-australiana e quella eurasiatica [figura 2.9]. A Nord dell Himalaya si è formato l altopiano del Tibet che è rialzato di alcune migliaia di metri dal livello del mare. Un altra conseguenza di questo tipo di interazione tra placche sono violenti terremoti con ipocentri superfciali. Quando le placche non convergono e non divergono Quando due placche non si allontanano né si scontrano i loro margini sono detti conservativi. In corrispondenza di questi margini le placche slittano una parallelamente all altra e non si verifca né formazione crosta continentale mantello superiore interno continentale catena montuosa astenosfera magma in risalita crosta oceanica processi metamorfici regionali frammenti di crosta oceanica epicentri dei terremoti lungo la faglia crosta continentale Figura 2.8 Nella zona di sutura dei due margini lo spessore della crosta continentale risulta raddoppiato. La crosta si solleva generando montagne molto elevate e retrostanti altopiani. Figura 2.9 L Himalaya è la più elevata catena montuosa del mondo. rift valley faglia trasforme astenosfera Figura 2.10 Lungo il tratto di faglia trasforme compreso tra due segmenti consecutivi di rift valley, il fondo oceanico si muove in direzioni opposte con violenti attriti e conseguenti terremoti. né distruzione di litosfera. Si originano, invece, delle fratture estese, e a scorrimento orizzontale, denominate faglie trasformi. Lungo tali faglie, le placche si muovono in senso opposto oppure a velocità diverse [fgura 2.10]. Nelle zone di contatto si genera un forte attrito che si risolve spesso con terremoti superficiali,

8 TERRA: UN PIANETA DINAMICO li avviene uno scorrimento orizzontale. Esse però presentano una particolarità: scorrono in direzione contraria solo nel tratto compreso fra i due tronconi di rift valley. Allontanandosi dalla dorsale il movimento dei due blocchi rocciosi a contatto della faglia avviene nella stessa direzione, fnché se ne perdono le tracce. La fascia di sismicità che segue l andamento delle dorsali ha i suoi ipocentri solo lungo le faglie trasformi. Fai il punt placca pacifica placca nordamericana Figura 2.11 La faglia di San Andreas in parte scorre sotto l oceano e in parte è visibile sulla terraferma Quali fenomeni accompagnano la divergenza delle placche? Che cosa sono le faglie trasformi? Quali sono le tappe della formazione di un oceano? Che cosa accade quando convergono due placche oceaniche? Che cosa sono l intervallo arco-fossa e il bacino di retroarco? A che cosa porta la subduzione di una placca oceanica convergente con una continentale? Quali fenomeni accompagnano la convergenza di margini continentali? Qual è la diferenza tra margini continentali attivi e passivi? Che cosa accade lungo i margini conservativi? 26

9 LA DINAMICA DELLE PLACCHE 27.3 Che cosa fa muovere le placche Esaminando la teoria della deriva dei continenti abbiamo visto che Wegener non fu in grado di spiegare quali forze e in che modo facessero slittare le masse continentali. A sostegno di tale teoria Holmes presentò un ipotesi che allora non fu accettata, ma che attualmente si sta rivelando esatta: l esistenza di correnti convettive nel mantello, capaci di spaccare i blocchi continentali e di allontanarli gli uni dagli altri. Le correnti convettive si generano a causa della differenza di temperatura esistente tra gli strati profondi e quelli superfciali del mantello. Risalgono in corrispondenza delle dorsali oceaniche e, in parte, creano una frattura nelle dorsali da cui fuoriesce il magma astenosferico, in parte si muovono orizzontalmente sotto la crosta ai lati delle dorsali. In questo modo, la crosta oceanica viene trascinata verso altri margini di placca dove, in prossimità delle fosse oceaniche, si riscontra una zona di discesa del ciclo convettivo: qui la crosta oceanica viene inghiottita e distrutta nel mantello [fgura 2.12]. Dopo l elaborazione della teoria della tettonica delle placche è rimasto ancora qualche punto da chiarire sulle correnti convettive, tuttavia i geologi sono concordi nel ritenere che siano effettivamente queste il motore che trascina le placche. Il ciclo di Wilson Esaminata la dinamica delle placche in tutti i suoi particolari, risulta chiaro che ciò che fa muovere tutta la litosfera frammentata è l alternarsi della formazione di dorsali oceaniche, con l apertura di oceani, e la loro chiusura per la fusione della litosfera oceanica che sprofonda nelle fosse. Un oceano, però, non può espandersi all infnito. Le dorsali e le fosse non sono, infatti, formazioni stabili: una determinata fossa, prima o poi, viene distrutta in un processo di collisione, mentre se ne forma qualche altra in una zona diversa; una dorsale muore, diventando inattiva, se cambiano i moti convettivi del mantello. Se un oceano, terminata l espansione, comincia a consumarsi, accade che i continenti che separava si ricongiungono. È quanto è accaduto 250 milioni di anni fa quando si è formata la Pangea la quale poi si è frantumata nuovamente. In defnitiva, il continuo movimento delle placche porta alternativamente alla formazione di un supercontinente e poi al suo smembramento, secondo quello che è stato denomi- fossa di subduzione correnti convettive dorsale oceanica astenosfera Figura 2.12 I circuiti delle correnti convettive al di sotto della litosfera: in corrispondenza delle dorsali hanno i rami ascendenti, mentre in corrispondenza delle fosse hanno rami discendenti. nato il ciclo del supercontinente, o ciclo di Wilson, dal nome dello studioso che lo propose (il canadese Jon Tuzo Wilson). Gli stessi continenti che si sono riuniti per formare la Pangea sono derivati dallo smembramento di un supercontinente esistito prima della Pangea. Si è calcolato che il tempo necessario per la formazione e la frantumazione di un supercontinente corrisponde a circa 500 milioni di anni, per cui questo tempo viene considerato l unità di misura dell evoluzione geologica della Terra. Il ciclo di Wilson ha dunque una durata di circa 500 milioni di anni e forse si è attivato oltre 2 miliardi di anni fa. La validità della teoria della tettonica correnti convettive Il primo sostegno in favore della validità del modello della tettonica delle placche, viene dal fatto certo, supportato da prove ben documentate [U1, par. 3], che i fondali oceanici si espandono. Una testimonianza in favore del movimento delle placche, che è alla base di tutti i fenomeni di origine tettonica, viene anche dai punti caldi. Un punto caldo (o hot spot) è una zona caratterizzata da attività vulcanica che si ritiene sia localizzata al di sopra di una colonna di magma proveniente dal mantello e denominata pennacchio. Praticamente, il pennacchio genera attività vulcanica in superfcie quando incontra una zona di debolezza della crosta e quella zona diventa un punto caldo. Consideriamo un punto caldo mol-

10 TERRA: UN PIANETA DINAMICO to noto: le isole Hawaii. La formazione di queste isole vulcaniche sopra un punto caldo è stata preceduta dalla formazione, nel corso di milioni di anni, di altri vulcani ormai spenti e divenuti, nel fondale dell Oceano Pacifico, montagne marine sommerse e più o meno erose. La datazione delle lave dei vulcani spenti, da quelli più lontani a quelli più vicini al punto caldo, ha dimostrato che man mano che ci si allontana dal punto caldo le lave sono sempre più vecchie. Questo dimostra che il punto caldo è rimasto fermo nella sua posizione mentre la placca pacifca è transitata al di sopra di esso. La validità della tettonica globale è stata confermata anche dagli studi sulla distribuzione dei vulcani e degli epicentri dei terremoti in tutta la superfcie del nostro Pianeta. Si è osservato che il 95% dei vulcani attivi si trova lungo i margini delle placche e che esiste anche una certa relazione tra il vulcanesimo di tipo effusivo e i margini costruttivi, tra il vulcanesimo di tipo esplosivo e i margini distruttivi. Anche i terremoti si manifestano in massima parte (95%) lungo i margini delle placche. I margini sono stati praticamente individuati proprio grazie ai fenomeni sismici e vulcanici [fgura 2.13]. a) b) Figura 2.13 Terremoti superfciali (a) e profondi (b) nel mondo. a) La distribuzione degli epicentri dei terremoti superficiali corrisponde ai limiti delle placche. b) La distribuzione degli epicentri dei terremoti profondi al di sotto dei margini continentali attivi corrisponde alle zone di subduzione. Fai il punt 1 2 Che cosa fa muovere le placche? Che cos è il ciclo di Wilson? 3 Perché la distribuzione dei vulcani e degli epicentri dei terremoti sulla superfcie terrestre conferma la validità della tettonica globale? O le correnti convettive del mantello sono responsabili del movimento delle placche O le correnti sono generate dalla differenza di temperatura tra gli strati profondi e quelli superficiali del mantello O i movimenti delle placche sono confermati dalla distribuzione sulla superficie terrestre: - degli epicentri dei terremoti - dei vulcani - dei punti caldi O mantengono attivo il ciclo di Wilson O ciclo di Wilson: è il tempo necessario affinché un supercontinente si frantumi e si ricomponga come nuovo supercontinente. L'ultimo è stato la Pangea O un ciclo dura circa 500 milioni di anni 28

11 LA DINAMICA DELLE PLACCHE 29 PERCHÉ LE PLACCHE SONO UNITÀ STRUTTURALI E FUNZIONALI? COME SONO I LORO MARGINI? Wegener considerava come unità fondamentale di movimento ogni continente. La tettonica, partita comunque dalle idee di Wegener, ha potuto gettare le sue basi su importanti scoperte che hanno fatto capire che i continenti e gli oceani sono solo parti di unità fondamentali: le placche. Le vere unità strutturali e di movimento sono le placche e i continenti e gli oceani, che ne costituiscono la parte superfciale, sono trasportati da esse. Le placche si muovono reciprocamente in corrispondenza di tre tipi di margini. O Divergenti o costruttivi: le placche si allontanano. Corrispondono ai bordi delle dorsali oceaniche. O Convergenti o distruttivi: le placche si scontrano. O Conservativi: le placche si muovono l una accanto all altra senza scontrarsi, ma generando attriti. CHE COSA DETERMINANO I MOVIMENTI DELLE PLACCHE? Le placche compiono i loro movimenti sull astenosfera e le conseguenze che ne derivano dipendono dai tipi di margini che interagiscono. Quando le placche divergono. Il processo di divergenza può interessare: O due margini oceanici; O due margini continentali. In entrambi i casi, in corrispondenza della frattura fuoriesce magma astenosferico che può determinare: O la formazione di una dorsale oceanica con un nuovo bacino oceanico; O l estensione di un bacino oceanico già esistente; O terremoti superfciali e attività vulcanica legata alla risalita del magma. Quando le placche convergono. Sono possibili tre situazioni. 1. Convergono margini di litosfera oceanica. Una delle due placche sprofonda sotto l altra lungo il piano di Benjoff, secondo il processo denominato subduzione, e si origina una fossa in pieno oceano. La placca che va in subduzione, a una certa profondità, fonde e si forma nuovo magma che risale in superfcie se trova spaccature nella crosta. Parallelamente alla fossa si forma una cintura di vulcani sottomarini che col tempo emergono come isole: sistema fossa-arco vulcanico insulare. In conclusione, questa situazione di convergenza genera: fosse oceaniche, cinture di vulcani, archi insulari e, poiché la collisione produce fortissime tensioni a carico della crosta, si scatenano anche sismi violenti. 2. Convergono un margine di litosfera oceanica e uno di litosfera continentale. Il processo comincia con la subduzione della placca oceanica sotto quella continentale: si generano fosse oceaniche ai margini della piattaforma continentale. Dalla fusione della placca oceanica si originano, in superfcie, catene di vulcani. La crosta del margine continentale, sotto pressione, si solleva generando una catena montuosa di origine vulcanica. In sintesi, la convergenza determina la scomparsa di litosfera oceanica e genera catene montuose, terremoti e vulcanesimo. 3. Convergono margini di litosfera continentale. Si formano catene montuose e si originano terremoti superfciali. Quando le placche non convergono e non divergono. Questa situazione riguarda i contatti tra margini conservativi: questi slittano l uno accanto all altro generando attrito ed enormi tensioni che si risolvono spesso con terremoti superfciali, anche catastrofci. COME SI MUOVONO LE PLACCHE? CI SONO PROVE A SOSTEGNO DELLA TEORIA GLOBALE? Il motore che fa muovere le placche è rappresentato dalle correnti convettive che interessano la parte fuida del mantello, cioè l astenosfera. Tali correnti sono generate dalla differenza di temperatura tra gli strati profondi e quelli superfciali del mantello. I rami ascendenti delle celle convettive interessano le dorsali mentre i rami discendenti sono localizzati in corrispondenza delle fosse oceaniche. La dinamica della litosfera ha indotto lo studioso J. T. Wilson a supporre che i continenti siano soggetti a un alterno avvicinamento e allontanamento (ciclo di Wilson): quando si avvicinano si uniscono per formare un supercontinente; dopo milioni di anni questo si frammenta e i continenti cercano assetti nuovi. L ultimo supercontinente è stato la Pangea. La teoria della tettonica delle placche ha come prima prova in suo favore la certezza che i fondali oceanici si espandono. Il movimento di tutte le placche ha la sua naturale spinta nella contemporanea costruzione di litosfera oceanica nelle dorsali e distruzione della stessa nelle fosse. La conferma del modello globale viene dagli studi dei fenomeni sismici e vulcanici: gli epicentri dei terremoti e la maggior parte dei vulcani attivi della superfcie terrestre segnano proprio i limiti delle placche. per orientarti nell unità

12 TERRA: UN PIANETA DINAMICO Riporta nel quadratino il numero che associa ciascuna frase alla corrispondente affermazione I fenomeni sismici interessano 2. I fenomeni vulcanici interessano 3. L orogenesi interessa 4. La formazione della litosfera oceanica interessa tutti i tipi di margini. i margini convergenti. i margini divergenti. i margini convergenti e quelli divergenti. Segna il completamento esatto. 2. La subduzione abissale: a provoca la formazione di nuova crosta oceanica. b provoca la distruzione di vecchia crosta oceanica. c è associata a vulcanesimo effusivo. d nessuna delle risposte è esatta. 3. Un margine continentale attivo si trova: a vicino a una dorsale oceanica. b vicino a un limite di placca distruttivo. c vicino a una catena montuosa. d vicino a limiti di placca divergenti. 4. Quando due placche oceaniche si scontrano, va in subduzione: a la più recente. b la più densa. c la meno densa. d nessuna delle risposte è esatta. 5. La subduzione della crosta continentale non avviene: a perché è più antica della crosta oceanica. b perché si muove in modo passivo. c perché è più leggera di quella oceanica. d perché ha un limite inferiore variabile. Completa le seguenti affermazioni. 6. Il piano di Benjoff ha una pendenza I margini trasformi si chiamano anche I margini divergenti si chiamano anche Le fosse si formano in pieno oceano quando Lungo i margini conservativi si originano... Associa a ciascuna deઙnizione il termine a cui si riferisce : margini che segnano il confne tra continente e oceano nella stessa placca. Dal punto di vista tettonico sono inattivi : ideale superfcie inclinata lungo la quale avviene il processo di subduzione, cioè lo sprofondamento della litosfera oceanica : processo che avviene in corrispondenza delle fosse oceaniche o delle catene montuose recenti; la crosta oceanica si immerge nel mantello per essere riassorbita. Deઙnisci: 14. Cordigliera vulcanica: Ciclo di Wilson: Sistema fossa-arco vulcanico: TEST YOUR ENGLISH 17. Mark with a cross (X) all the correct statements. a Africa is a continent that is splitting. b The Atlantic Ocean is declining. c The Pacific Ocean is at its last stage. d San Andreas fault is a destructive margin. e The oceanic crust is heavier than the continental one. f Wilson's cycle lasts 750 years. g Two margins of oceanic litosphere can't collide. 18. Read the following statements and decide if they are true T or false F 1. The diverging margins are destructive. T F 2. The passive continental margins don't coincide with the margins of the plates. T F 3. Displacements don't take place in the transform faults. T F... 30

13 Terra: un pianeta vivo In questa sezione 3 Atmosfera: i gas della Terra 4 Fenomeni meteorologici: i venti 5 Fenomeni meteorologici: condensazioni e precipitazioni 6 Fenomeni meteorologici: le perturbazioni atmosferiche 7 Terra: i suoi climi 8 Terra: la superfcie si modella > Verifche Nell'Aula Digitale Approfondimenti Le frontiere della scienza Mappe interattive Keywords Exercises obiettivi t Conoscere la composizione, la struttura dell atmosfera e le grandezze fsiche che la caratterizzano: temperatura, pressione e umidità t Saper illustrare la circolazione generale dell atmosfera e i meccanismi che la generano t Comprendere i meccanismi che determinano le variazioni del tempo meteorologico t Conoscere la distribuzione dei climi sulla Terra e comprendere perché essi possono condizionare le possibilità di sopravvivenza degli esseri viventi t Saper descrivere i processi mediante i quali l atmosfera, come agente esogeno, è artefce dei paesaggi che caratterizzano la superfcie terrestre t Saper mettere in relazione la litosfera, l idrosfera e l atmosfera che, con i fenomeni che le riguardano, sono responsabili della morfologia superfciale del nostro Pianeta

14 Atmosfera: i gas della Terra.1 La composizione dell atmosfera L atmosfera è un involucro di gas che, trattenuto dalla forza di gravità, circonda la Terra. Il suo limite inferiore si può far coincidere approssimativamente con la superfcie della Terra, ma il limite superiore non si può defnire, anche perché le molecole dei gas che la compongono, non più trattenute dalla forza di gravità del Pianeta, tendono a disperdersi nello spazio interplanetario. L atmosfera svolge numerose funzioni che favoriscono la vita sulla Terra. Trasmette le radiazioni solari, indispensabili per la fotosintesi cloroflliana delle piante, e fornisce l ossigeno, l anidride carbonica e gli altri gas necessari agli organismi viventi [fgura 3.1]. e ne attenua il raffreddamento durante la notte, perché funziona come uno schermo che impedisce la dispersione del calore rifesso dalla superfcie terrestre. Senza atmosfera, di giorno la temperatura salirebbe fno a +110 C e di notte scenderebbe a 180 C. Protegge la Terra dall impatto delle meteoriti. Queste, per l attrito con l aria, si disintegrano senza giungere al suolo o si riducono in frammenti più piccoli. Nel linguaggio comune usiamo la parola aria per indicare la parte dell atmosfera nella quale siamo immersi. Scientificamente con lo stesso termine si indica la miscela di gas che, in proporzioni praticamente costanti, costituisce l atmosfera fno alla quota di circa 80 km. Più precisamente a questo miscuglio uniforme si dà il nome di aria secca per distinguerlo dall aria umida che contiene anche il vapore acqueo in proporzioni variabili nel tempo e nello spazio. L aria umida si trova sopratutto nella troposfera che è lo strato più basso dell atmosfera. In base ai gas che la compongono, e considerando se questi sono in forma atomica o molecolare, nell atmosfera si possono distinguere due parti: la bassa atmosfera e l alta atmosfera. Figura 3.1 Il colore azzurro del cielo, quando è sereno e illuminato dal Sole, è dovuto al fenomeno della diffusione. La diffusione che subisce la luce solare è tanto maggiore quanto minore è la lunghezza d onda. Le radiazioni a minore lunghezza d onda sono l azzurro e il violetto, ma quelle azzurre sono più numerose per cui il cielo appare azzurro. Protegge dai raggi ultravioletti provenienti dal Sole che in dosi elevate provocano, per esempio, tumori all uomo e agli animali. Fa sì che il suolo non si riscaldi eccessivamente durante il giorno, assorbendo parte del calore solare, La bassa atmosfera La bassa atmosfera si estende fno a circa km di quota e nell insieme è chiamata anche omosfera perché, anche se più densa nella parte più vicina alla superficie terrestre, ha una composizione chimica costante in tutto il suo spessore; questo è dovuto al fatto che in essa si verifcano moti convettivi che rimescolano continuamente i gas. I gas che la compongono sono: azoto (78%), ossigeno (21%), argon (0,94%), piccole quantità di anidride carbonica (0,033%), neon e altri gas rari. Negli strati più bassi c è anche il vapore acqueo, la cui quantità varia in base al luogo e alla stagione [fgura 3.2]. Un altro componente gassoso dell atmosfera è l ozono (O 3 ): è presente solo in tracce nella parte inferiore della bassa atmosfera, dove si forma durante i temporali per azione delle scariche elettriche sull ossigeno, ma si trova in quantità notevole in una fascia dell atmosfera, compresa tra i 30 e i 60 km di altezza, chiamata ozonosfera. 32

15 ATMOSFERA: I GAS DELLA TERRA 33 neon e altri gas rari 0,027% anidride carbonica 0,033% argon 0,94% azoto 78% ossigeno 21% sposti a strati in base alla densità (la stratifcazione è determinata dalla forza di gravità della Terra). L azoto, che è il più pesante, è molto scarso e si dispone al confne con la bassa atmosfera. L ossigeno, le cui molecole si scindono in atomi, occupa una zona che va dal limite superiore della fascia dell azoto fno all altezza di 800 km. Seguono l elio, che si dispone a un altezza compresa tra gli 800 e i 2500 km e l idrogeno che, essendo l elemento più leggero, si trova ancora più in alto, oltre i 2500 km di altezza. Anche questi due gas sono presenti in forma atomica e non molecolare [fgura 3.3]. idrogeno atomico km Figura 3.2 La composizione dell atmosfera. L aria secca (senza vapore acqueo) è costituita per il 78% da azoto, il 21% da ossigeno, lo 0,94% da argon, lo 0,033% da anidride carbonica; la restante frazione è costituita da gas rari e altri gas, spesso inquinanti. L aria secca in realtà non esiste: una certa quantità di vapore è sempre presente. elio 2500 Infne, nella parte più bassa, troviamo il pulviscolo atmosferico, composto da polveri, spore, pollini, sottoprodotti delle attività industriali ecc. Tutte queste particelle hanno una loro importanza: contribuiscono a formare i nuclei di condensazione delle molecole di vapore acqueo e quindi favoriscono la formazione delle nubi. In prossimità dei grandi centri abitati si riscontrano anche composti inquinanti che derivano dalle combustioni: monossido di carbonio (CO), acido solfdrico (H 2 S), anidride solforosa (SO 2 ) e acido solforico (H 2 SO 4 ). Nell atmosfera esiste un equilibrio chimico per cui la percentuale dei suoi gas rimane inalterata anche se alcuni di essi vengono utilizzati nei cicli biologici. Questo equilibrio oggi è minacciato dall inquinamento. L alta atmosfera L alta atmosfera, detta anche eterosfera, si estende al di sopra della bassa atmosfera (dai 90 km di altezza), ma il suo limite superiore non è defnibile. Non ha una composizione omogenea: i gas che la costituiscono, oltre a essere via via più rarefatti, sono di- Approfondimento I gas atmosferici Figura 3.3 La stratifcazione dell alta atmosfera è determinata dalla diversa densità dei singoli gas. Fai il punt ossigeno atomico azoto Che cos è l atmosfera? Quali importanti funzioni svolge? Come viene suddivisa l atmosfera? In base a quali caratteristiche? Quali gas compongono la bassa atmosfera? Qual è la diferenza tra aria secca e aria umida? Come è strutturata l alta atmosfera? Quali sono i gas costituenti?

16 TERRA: UN PIANETA VIVO.2 La struttura dell atmosfera altitudine in km livello del mare Partendo dalla superficie terrestre, e procedendo verso l alto, si è constatato che nell atmosfera variano la temperatura, la densità, la pressione e le caratteristiche chimico-fsiche. Per questo motivo l atmosfera è stata schematicamente suddivisa in fasce concentriche di diverso spessore, denominate sfere, tra le quali si considerano zone intermedie di discontinuità, chiamate pause [fgura 3.4]. Dal basso verso l alto si succedono: la troposfera, la stratosfera, la mesosfera, la termosfera, o ionosfera, e l esosfera. La caratteristica maggiormente considerata in questa suddivisione è la temperatura, e per questo le sfere sono denominate anche strati termici. aurore polari stelle cadenti ozonosfera nubi alte Figura 3.4 Struttura verticale dell atmosfera. La troposfera termopausa mesopausa stratopausa tropopausa esosfera satelliti termosfera (ionosfera) mesosfera stratosfera troposfera La troposfera è lo strato più sottile, ma più denso: a causa della forza di gravità concentra, infatti, i 3/4 della massa gassosa e quasi tutto il vapore acqueo. Ha uno spessore che va dai 6-8 km, in corrispondenza dei poli, ai km all Equatore. Questa differenza è -80 la temperatura è altissima la temperatura aumenta 2000 la temperatura diminuisce con l altitudine dovuta in parte alla rotazione terrestre, ma anche al fatto che in corrispondenza dell Equatore l aria, essendo più calda, si espande più di una uguale massa d aria fredda. Nella troposfera la temperatura diminuisce gradualmente con l altitudine fno al suo limite superiore detto tropopausa. Il motivo della riduzione della temperatura in rapporto alla quota è da ricercarsi nel fatto che la troposfera viene riscaldata dal calore che rifette il suolo e non direttamente dai raggi del Sole. La diminuzione è di circa 0,6 C ogni 100 m (gradiente termico verticale) e, a livello della tropopausa, si raggiungono i 70 C all Equatore e i 45 C ai poli. In questo strato, spesso si verifca il fenomeno dell inversione termica per il quale risulta più fredda la bassa troposfera, quella a contatto con la superfcie terrestre, e più calda quella sovrastante. La troposfera consente la vita sulla Terra per la sua composizione e perché in essa avvengono tutti i fenomeni meteorologici [fgura 3.5]. La stratosfera La stratosfera si estende fino a km di quota ed è composta dagli stessi gas della troposfera che però sono più rarefatti. Con la quota diminuiscono particolarmente il vapore acqueo e l anidride carbonica. La temperatura della parte inferiore della stratosfera è molto bassa, uguale a quella della tropopausa; gradualmente però, a partire da circa 20 km di altezza, aumenta per ogni chilomentro secondo un gradiente che varia tra 1 e 3 C. I valori termici che si raggiungono in tale strato vanno da 0 a +10 C. Nella stratopausa, però, si raggiungono anche i +17 C. L aumento della temperatura nella stratosfera è dovuto al processo di formazione dell ozono durante il quale si libera calore. Questo gas, tra i 30 e i 60 km di quota, costituisce uno strato, detto ozonosfera, che assorbe i raggi ultravioletti (UV). La sua formazione è dovuta all azione degli stessi raggi ultravioletti provenienti dal Sole sulle moleco- +17 la temperatura aumenta con l altitudine la temperatura diminuisce con l altitudine C temperatura in C 34

17 ATMOSFERA: I GAS DELLA TERRA 35 Figura 3.5 La nebbia. Per la differenza tra la temperatura del suolo, che si è raffreddato durante la notte, e quella della parte più bassa dell atmosfera, il vapore acqueo si condensa e si rende visibile come nebbia. le di ossigeno: queste vengono continuamente scisse per liberare ossigeno atomico che, reagendo con le molecole non scisse, forma le molecole triatomiche dell ozono. La reazione è la seguente: O 2 + O O 3 una molecola di ossigeno Il massimo dell assorbimento dell energia, con la conseguente massima emissione di calore, si verifca proprio in corrispondenza della stratopausa. Le radiazioni ultraviolette, particolarmente nocive per gli esseri viventi, in questo modo vengono assorbite quasi completamente in alta quota. La mesosfera un atomo di ossigeno raggi UV ozono La mesosfera, posta al di sopra della stratopausa, si estende fino a circa km di altezza. I gas che la compongono sono piuttosto rarefatti e la sua temperatura diminuisce con la quota in quanto viene riscaldata dal basso. Più precisamente, la parte inferiore viene riscaldata dagli strati caldi dell alta stratosfera, ma salendo di quota la temperatura si abbassa anche perché i gas, sempre più rarefatti, assorbono sempre meno la radiazione solare. Attorno ai km di altezza, al crepuscolo durante l estate, si possono osservare le nubi più alte: sono chiamate nubi nottilucenti perché sono visibili quando al suolo è già scesa la notte, mentre queste sottilissime formazioni di colore bianco-argenteo vengono ancora debolmente illuminate dai raggi radenti del Sole. Il limite superiore della mesosfera è la mesopausa e qui la temperatura raggiunge il minimo termico che varia tra 70 e 90 C. La termosfera (o ionosfera) La termosfera si espande dagli km, a partire dal limite segnato dalla mesopausa, fno a circa 500 km ed è formata da gas molto rarefatti. In questo strato l andamento della temperatura è direttamente infuenzato dall energia proveniente dal Sole: i gas assorbono la radiazione solare a onde corte. Sulla base di dati e calcoli teorici, si pensa che a circa 120 km di quota la temperatura sia di 0 C e che intorno ai km raggiunga i 1000 C. Il signifcato dei valori di temperatura della termosfera è però diverso dal signifcato di quelli della bassa atmosfera. Nel caso della termosfera, infatti, si tratta di temperatura cinetica e non della temperatura sensibile che proviamo sulla superficie terrestre. Chiariamo il concetto. Gli atomi dei gas (azoto e ossigeno) assorbono le radiazioni solari a frequenza molto elevata ad alto contenuto energetico. La temperatura, che dipende dalla notevole energia cinetica posseduta dalle particelle dei gas di questo strato, è quindi molto elevata, ma un normale termometro indicherebbe una temperatura estremamente bassa. Infatti, poiché il calore si trasferisce con gli urti tra le particelle, e nella termosfera i gas sono estremamente rarefatti, le probabilità che avvenga un trasferimento di energia (calore) tra le particelle dei gas e il termometro sono praticamente nulle. La termosfera è caratterizzata da un altra particolarità: molte molecole di ossigeno e di azoto, per effetto della radiazione solare sono dissociate in atomi e in ioni (particelle cariche, cioè protoni ed elettroni), ed è per questo che viene chiamata anche ionosfera. Le particelle ionizzate hanno la proprietà di

18 TERRA: UN PIANETA VIVO riflettere verso la Terra le onde radio e in tal modo consentono le comunicazioni radio a grandi distanze. Le particelle ionizzate determinano anche la formazione di particolari fenomeni denominati aurore polari: si tratta di drappeggi di diversi colori che compaiono nel cielo. Le aurore polari sono prodotte dalla collisione delle particelle del vento solare con gli ioni di ossigeno e di azoto. Sono visibili da località situate entro una fascia compresa tra 75 e 70 gradi di latitudine Nord e Sud e si verifcano in linea di massima a quote comprese tra 100 e 350 km al di sopra della Terra. Il limite superiore di questo strato è la termopausa. L esosfera L esosfera è la parte più esterna dell atmosfera: si estende a partire dai 500 km, ma non si possono defnire confni precisi. Segna il passaggio dall atmosfera allo spazio interplanetario. La temperatura è elevatissima (forse raggiunge i 2000 C) e le particelle che la compongono (fno a 800 km atomi di ossigeno, poi atomi di elio e di idrogeno), estremamente rarefatte, si muovono liberamente a forte velocità potendo anche sfuggire alla forza di gravità della Terra [scheda di approfondimento]. 1 Fai il punt Quali sono gli strati che compongono l atmosfera? Quali sono le caratteristiche principali di ogni strato? Come varia la temperatura procedendo dalla troposfera fno all esosfera? Come varia la concentrazione dei gas in tutto lo spessore dell atmosfera? In quale strato si forma l ozono? Per quale motivo la temperatura della stratosfera aumenta con la quota? Perché nella termosfera si parla di temperatura cinetica? Che cos è la ionosfera? Che cosa la caratterizza? 36

19 ATMOSFERA: I GAS DELLA TERRA 37 La magnetosfera e le fasce di Van Allen L esosfera, al di sopra dei 500 km di quota, dove i gas, estremamente rarefatti, sono anche ionizzati, cioè sono composti da particelle cariche (protoni ed elettroni), costituisce la magnetosfera. Le particelle ionizzate, in linea di massima provenienti dal vento solare, attratte dal campo magnetico terrestre, si dispongono secondo le linee di forza di tale campo, originando come dei gusci attorno al nostro Pianeta. Pertanto, possiamo definire la magnetosfera come la zona dello spazio intorno alla Terra dove si verificano interazioni tra particelle ionizzate e il campo magnetico terrestre. Il suo confine superiore corrisponde quindi alla zona dello spazio dove l intensità del campo geomagnetico non riesce più ad attrarre a sé le particelle ionizzate. La magnetosfera in teoria dovrebbe avere una forma sferica, invece, colpita dal vento solare, assume una forma a cometa: è schiacciata dalla parte del Sole e allungata dalla parte opposta (forse raggiunge la lunghezza di 4 milioni di chilometri). Nel 1958, il fisico statunitense J.A. Van Allen scoprì la presenza nella magnetosfera di particelle ionizzate concentrate in due fasce a forma di anello che in suo onore sono state chiamate fasce di Van Allen. La fascia interna è localizzata a circa 3000 km di altezza ed è costituita da protoni; la fascia esterna si trova a km di Aurora boreale. quota ed è formata da elettroni. La Terra trova posto, rispetto alle fasce, nell area centrale dello spazio racchiuso da esse. La concentrazione delle particelle ionizzate nelle fasce di Van Allen è massima al di sopra delle zone equatoriali terrestri e si annulla in corrispondenza dei poli. Talvolta, specialmente quando si verificano tempeste solari, particelle ionizzate penetrano nell atmosfera provocando le aurore polari, proprie delle alte latitudini, dove le particelle cariche, per l andamento delle linee di forza, vengono convogliate più facilmente. La magnetosfera riveste un importanza fondamentale per la Terra, in quanto costituisce uno schermo protettivo contro il vento solare che altrimenti colpirebbe la superficie terrestre con una notevole quantità di radiazioni estremamente dannose per tutti i viventi. Sole vento solare fasce di Van Allen Quando si verificano forti tempeste solari, enormi flussi di particelle cariche, protoni ed elettroni, vengono proiettati nello spazio. Tutte queste particelle costituiscono il vento solare e, quando questo raggiunge la Terra, colpisce con forza la magnetosfera deformandola. Il campo magnetico confina particelle altamente energetiche nella parte bassa della magnetosfera formando le fasce di Van Allen.

20 TERRA: UN PIANETA VIVO.3 Il bilancio termico Terra-atmosfera rifessa dalla superfcie terrestre 4% Figura 3.6 La distribuzione della radiazione solare che giunge al sistema Terra-atmosfera. rifessa dall atmosfera (nubi, pulviscolo e molecole di gas) 31% 51% assorbita direttamente dall atmosfera e dalle nubi 18% assorbita dalla superfcie terrestre 47% a) b) Figura 3.7 Escludendo l atmosfera, la maggior capacità rifettente è propria delle nevi fresche (a), seguite dai deserti sabbiosi (b), le foreste e l acqua. Il Sole, sede di intense reazioni nucleari, produce continuamente una intensissima radiazione e la diffonde nello spazio. La Terra ne riceve una minima parte che è denominata costante solare. Si defnisce costante solare la quantità di energia proveniente dal Sole che incide sull alta atmosfera su un piano perpendicolare ai raggi solari. Poiché su 1 cm² di atmosfera esterna incide una radiazione di 2 calorie al minuto, la costante solare corrisponde a 2 cal/cm 2 / min o 1350 W/m 2. Dell energia solare che arriva al limite superiore dell atmosfera, alla superfcie terrestre ne giunge circa la metà. Infatti, ipotizzando che all atmosfera giunga un pacchetto di energia pari al 100% (equivalente alla costante solare), accade quanto segue [fgura 3.6]. Il 31% viene rifesso dall atmosfera nello spazio. Tale rifessione è causata in prevalenza dalle nubi, dal pulviscolo atmosferico e dalle molecole dei gas dell aria. Il 18% viene assorbito dall atmosfera. L assorbimento è dovuto principalmente all ozono e all anidride carbonica, ma anche al vapore acqueo. Il 51% dell energia raggiunge la superfcie terrestre, ma il 4% viene rifesso nell atmosfera, soprattutto a opera dei ghiacciai, dei nevai, degli oceani, dei mari e della vegetazione. Il 47% (51% 4%) è effettivamente assorbito dalla superfcie terrestre: dalle acque, dalle rocce e dalle piante. Questa parte di energia, detta radiazione effettiva, viene poi riemessa sotto forma di onde lunghe ed è responsabile del riscaldamento della troposfera [fgura 3.7]. La radiazione solare incidente che viene assorbita dal sistema Terra-atmosfera è il 65%: il 18% è assorbito dall atmosfera e il 47% dalla superfcie terrestre. La parte di radiazione che viene rifessa è chiamata albedo. Più precisamente, l albedo è il rapporto tra la radiazione solare che in media viene rifessa dal Pianeta e la radiazione che il Pianeta riceve dal Sole: quindi indica il potere rifettente del Pianeta. La Terra ha un albedo complessiva del 35%: 31% l atmosfera e 4% la superfcie delle terre e degli oceani. Equilibrio termico della Terra Poiché la temperatura media della Terra e della sua atmosfera non sembra variare sensibilmente nel tempo, la quantità di radiazione assorbita e quella riemessa nello spazio si equivalgono, pertanto il bilancio termico, o energetico, Terra-atmosfera è in pareggio. Questo equilibrio termico è però riferito al corso di un intero anno e al globo terrestre nel suo complesso, e non a frazioni limitate di tempo e a singole regioni. Per quanto riguarda le singole regioni, il bilancio termico è positivo nella zona equatoriale, in quanto in essa il calore assorbito è maggiore di quello perduto; è negativo nelle zone polari che perdono calore più di quanto non ne ricevano. Accade però che, né la zona equatoriale diventa più calda, né quelle polari diventano più fredde, in quanto il ciclo dell acqua e i fenomeni meteorologici, come i venti e le correnti marine, ridistribuiscono continuamente l energia solare tra le diverse parti della Terra. 38

21 ATMOSFERA: I GAS DELLA TERRA 39 Sole radiazione solare radiazione terrestre (calore) radiazione solare terreno anidride carbonica (CO 2 ) radiazione terrestre (calore) Figura 3.8 L'effetto serra Come in un enorme serra l atmosfera della Terra si mantiene calda. La radiazione solare colpisce il terreno della serra e viene riflessa, ma i vetri la trattengono all interno della serra. È quanto accade a tutta la superficie terrestre: riceve la radiazione solare e la riflette nell atmosfera, ma l anidride carbonica e il vapore acqueo, come i vetri della serra, la trattengono. Così l atmosfera si mantiene calda. Il riscaldamento dell atmosfera: l effetto serra Le frontiere della scienza Global Climate Change Approfondimento Il riscaldamento globale in aumento: quali conseguenze? Come abbiamo già detto, la parte più bassa dell atmosfera, quella nella quale siamo immersi, si riscalda, non per l irraggiamento diretto del Sole, ma grazie al calore rifesso dalla superfcie terrestre. La superfcie terrestre, dopo aver assorbito le radiazioni solari, le riemette sotto forma di radiazioni elettromagnetiche a lunghezza d onda maggiore (raggi infrarossi) rispetto a quelle incidenti, e queste riscaldano l aria dal basso. L atmosfera, a sua volta, si comporta come i vetri di una serra: dopo aver lasciato passare le radiazioni luminose solari, trattiene le radiazioni rifesse dalla superfcie terrestre, calde e poco penetranti. Questo comportamento, denominato appunto effetto serra, è dovuto principalmente alla presenza dell anidride carbonica e del vapore acqueo i quali assorbono le radiazioni a elevata lunghezza d onda [fgura 3.8]. L effetto serra consente quindi alla Terra di avere una certa temperatura che in assenza di atmosfera non avrebbe (una temperatura media di circa 15 C). Attualmente, questo fenomeno naturale si sta accentuando, a causa dell eccessiva immissione nell atmosfera di anidride carbonica in seguito all enorme sfruttamento dei combustibili fossili. Fai il punt Che cos è la costante solare? Come si distribuisce la radiazione solare incidente sul nostro Pianeta? Che cos è l albedo? Che cosa si intende per bilancio termico Terraatmosfera? Varia o si mantiene costante? In che cosa consiste l efetto serra? Perché è importante? O riferito a tutta la Terra e a un intero anno: è in pareggio perché la quantità di radiazione solare assorbita dalla Terra e quella riflessa nello spazio sono uguali O riferito a particolari aree: - è positivo nelle zone equatoriali - è negativo nelle zone polari O è la radiazione solare che raggiunge la Terra O quanta ne riceve: su 1 cm 2 di atmosfera esterna incide una radiazione solare di 2 piccole calorie al minuto (100%) O la superficie terrestre ne riceve il 51%: il 47% lo assorbe e il 4% lo riflette

22 TERRA: UN PIANETA VIVO.4 La temperatura dell aria Fattori che infuiscono sulla temperatura Sulla temperatura dell aria infuiscono fattori di diversa natura. La latitudine e l'altitudine A seconda della latitudine, i raggi solari raggiungono la superfcie terrestre con angoli di inclinazione diversi, per cui la quantità di calore che distribuiscono varia. Se i raggi cadono perpendicolarmente, si distribuiscono su una superfcie poco estesa e in essa si concentra più calore (è ciò che accade nella zona equatoriale). Se i raggi giungono obliqui, attraversano uno strato di atmosfera più spesso, per cui subiscono un maggiore assorbimento e inoltre si distribuiscono su una superfcie ampia (è ciò che accade man mano che si va dall Equatore verso i poli). Per quanto concerne l altitudine, procedendo dal basso verso l alto, la temperatura varia di 1 C ogni 100 metri nell aria secca e di 0,6 C nell aria umida. Il valore della diminuzione è chiamato gradiente termico (o adiabatico) verticale. Nell aria con vapore acqueo in condensazione il gradiente è minore perché nel passaggio di stato si libera il calore latente di evaporazione. La temperatura dell aria diminuisce con la quota, in primo luogo perché è riscaldata dal basso dalla superfcie terrestre, ma anche per il fatto che gli strati inferiori dell aria, essendo più densi, carichi di vapore e di pulviscolo, assorbono maggiormente le radiazioni termiche rispetto agli strati superiori. Altri fattori A parità di latitudine e di altitudine, assumono grande importanza diversi fattori di natura geografca. I mari, e i laghi di una certa grandezza, si comportano come immensi termostati che immagazzinano calore nei periodi di intensa radiazione solare e lo cedono negli altri periodi. Le acque, infatti, si riscaldano più lentamente rispetto alle terre emerse, ma altrettanto lentamente cedono il calore accumulato. Per questo motivo, durante il giorno e durante l estate, la temperatura dell aria che sovrasta gli specchi d acqua è più bassa di quella che sovrasta le terre emerse, mentre di notte e d inverno si verifca l opposto. Ne deriva che le zone più vicine al mare, benefciando del calore liberato dalle acque durante l inverno, presentano condizioni climatiche più miti rispetto alle aree continentali interne. Nelle zone costiere le estati sono meno calde e gli inverni meno freddi. Le correnti marine: la temperatura delle acque del mare condiziona quella delle regioni lambite. L umidità dell aria: l aria umida assorbe più calore dell aria secca. La natura del suolo: i terreni scuri, come quelli vulcanici, assorbono e conservano il calore più facilmente di quelli chiari con rocce calcaree. La vegetazione: le aree ricche di boschi sono più fresche di quelle poste alla stessa latitudine, ma povere di vegetazione, perché la traspirazione delle piante e i loro processi vitali avvengono con assorbimento di calore. La presenza di catene montuose: è un fattore importante che impedisce l affusso di aria proveniente dal mare, accentuando lo sbalzo tra le temperature estive e quelle invernali di una regione interna. La durata del dì e della notte: la temperatura è tanto più elevata quanto più a lungo la superfcie della Terra è esposta ai raggi solari. La misurazione della temperatura È importante conoscere i valori della temperatura dell aria, in quanto tale grandezza è uno degli elementi che caratterizzano il tempo atmosferico [U6 par. 1]. La sua misurazione viene effettuata in prossimità della superfcie terrestre con il termometro a massima e il termometro a minima che registrano rispettivamente le temperature estreme, massima e minima, raggiunte durante la giornata. Poiché la temperatura di un luogo varia più o meno sensibilmente nell arco della giornata e dell anno, si misurano anche le temperature medie giornaliera, mensile e annua. La temperatura media giornaliera si determina in base ai valori registrati in alcune ore della giornata, solitamente alle 6, 12, 18 e 24. La temperatura media mensile si determina sommando le temperature medie dei giorni di un mese e dividendo il risultato per il numero dei giorni. La temperatura media annua si determina sommando le medie dei singoli mesi e dividendo il risultato per 12. La linea che unisce i luoghi con la temperatura media annua massima è chiamata equatore termico. 40

23 ATMOSFERA: I GAS DELLA TERRA 41 0 gennaio Polo nord Polo sud luglio equatore termico Polo nord Polo sud 0 Figura 3.9 Le carte termometriche della Terra. Le carte delle isoterme dei mesi di gennaio e di luglio offrono una visione d insieme della distribuzione delle temperature medie mondiali a livello del mare: le temperature più elevate si registrano verso i tropici; sono più basse, in media, nell emisfero australe e sono più regolari sugli oceani. Le due carte termometriche mostrano come le temperature diminuiscono all aumentare della latitudine, anche se l andamento delle isoterme si discosta da quello dei paralleli. Le deviazioni più sensibili si registrano in corrispondenza dei continenti, specialmente dove sono presenti catene montuose. È evidente la maggiore irregolarità delle linee nell emisfero boreale, dove le temperature massime si trovano nelle aree continentali. Nell emisfero australe, a causa dell influenza dei mari, non si registrano temperature molto basse, a parte il continente antartico. L equatore termico è la linea che unisce i punti con temperatura media annua massima: nella carta di luglio si innalza verso il Tropico del Cancro, mentre nella carta di gennaio si abbassa verso il Tropico del Capricorno. L escursione termica Un parametro importante è l escursione termica che corrisponde alla differenza algebrica tra una temperatura massima e una minima. Solitamente si considerano l escursione termica diurna e quella annua. L escursione termica diurna è la differenza algebrica tra la temperatura massima e quella minima della stessa giornata; l escursione termica annua è la differenza algebrica tra la temperatura media del mese più caldo e quella del mese più freddo. Le isoterme Per avere una visione immediata delle temperature alle varie latitudini, si tracciano sulle carte geografche (carte termometriche) delle linee che uniscono tutti i punti della Terra aventi la stessa temperatura, dette isoterme. Le temperature utilizzate possono essere quelle medie giornaliere, oppure quelle medie mensili o annue. I valori reali raccolti nei vari punti di osservazione vengono ridotti al livello del mare, cioè si aumentano di 0,6 C ogni 100 metri di quota, quando si vogliono comparare le temperature di località poste alla stessa latitudine ma a quote diverse. La riduzione non viene effettuata se si vuole studiare l andamento delle temperature in un territorio limitato, per esempio nella nostra penisola. Le isoterme più interessanti sono quelle relative ai mesi di luglio e di gennaio, rispettivamente il mese più caldo e il mese più freddo dell anno nel nostro emisfero [fgura 3.9]. Poiché l intensità dell insolazione aumenta procedendo dai poli verso l Equatore, ci si aspetta che tutte le località che hanno la stessa latitudine abbiano anche la stessa temperatura media: se così fosse le isoterme dovrebbero seguire l andamento dei paralleli. Ciò invece non accade: le isoterme presentano un andamento piuttosto irregolare, anche se comunque seguono un certo parallelismo che è dovuto appunto al variare regolare dell insolazione dall Equatore ai poli. Le deviazioni più sensibili si registrano in corrispondenza dei continenti; infatti le linee hanno un andamento più regolare dove l estensione delle terre emerse è minore (emisfero australe). L andamento irregolare è dovuto a vari fattori: le correnti marine, la diversa distribuzione delle terre e dei mari, ecc. Fai il punt Perché la latitudine e l altitudine infuiscono sulla temperatura dell aria? Quali fattori a carattere locale fanno variare la temperatura? Quali sono i valori di temperatura che vengono normalmente misurati? Che cosa si intende per escursione termica? Che cosa sono le isoterme? Che indicazioni danno le isoterme di gennaio e di luglio?

24 TERRA: UN PIANETA VIVO per orientarti nell unità CHE COS È L ATMOSFERA? L atmosfera è un involucro di gas, che circonda la Terra, trattenuto dalla forza di gravità. Comprende la bassa e l alta atmosfera. l La bassa atmosfera (detta aria) si estende fno a circa km di quota. È composta da: azoto (78%), ossigeno (21%), anidride carbonica (0,033%), argon (0,93%), neon e altri gas rari, vapore acqueo e ozono (O 3 ). l L alta atmosfera si estende a partire da km di altezza, e non ha un limite superiore defnibile; diventa più rarefatta con la quota e non ha composizione omogenea. Dal basso verso l alto, disposti a strati, si trovano: ossigeno, elio e idrogeno. QUAL È LA STRUTTURA DELL ATMOSFERA? L atmosfera ha una struttura a strati con valori di pressione e temperatura differenti. Dal basso verso l alto troviamo: la troposfera, la stratosfera, la mesosfera, la termosfera o ionosfera e l esosfera. l Troposfera: è lo strato più sottile, ma più denso; si estende fno a km di altezza. La temperatura diminuisce, con l altitudine, in media di 0,6 C ogni 100 m (gradiente termico verticale). In essa avvengono i fenomeni meteorologici. l Stratosfera: si estende fno a km; è composta dagli stessi gas della troposfera, ma più rarefatti. La temperatura aumenta fno a raggiungere 0 C nella sua parte alta. In essa è presente l ozono: è questo gas che, col suo processo di formazione, fornisce il calore che fa aumentare la temperatura. l Mesosfera: raggiunge gli km di altezza e i suoi gas sono piuttosto rarefatti. La temperatura diminuisce con l altezza fno a circa -70 C. l Termosfera o ionosfera: si espande dagli km fno a circa 500 km di quota. È formata da gas rarefatti e ionizzati, cioè dotati di cariche elettriche: per questo la termosfera viene chiamata anche ionosfera. Le particelle ionizzate rifettono verso la Terra le onde radio consentendo le comunicazioni a grandi distanze. Nella termosfera l andamento della temperatura è infuenzato dall energia proveniente dal Sole e forse nella parte superiore raggiunge i 1000 C. l Esosfera: è lo strato più esterno dell atmosfera; si estende a partire dai 500 km, ma non ha un limite superiore. QUANTA ENERGIA SOLARE RICEVE LA TERRA? La Terra riceve una minima parte dell energia irradiata dal Sole: è la cosiddetta costante solare. Su 1 cm² di atmosfera esterna incide una radiazione solare di 2 piccole calorie al minuto, ma poco meno della metà raggiunge la superfcie terrestre. Ipotizzando che al limite esterno dell atmosfera giunga un pacchetto di energia = 100% (la costante solare), il destino di tale energia è il seguente: l il 31% viene rifessa dall atmosfera nello spazio; l il 18% viene assorbita dall atmosfera; l il 51% raggiunge la superfcie terrestre, ma il 4% viene rifessa nell atmosfera dai ghiacciai, dai nevai, dai mari e dalla vegetazione; l pertanto, la superfcie terrestre assorbe il 47% dell energia solare; questa energia viene rifessa nell atmosfera e la riscalda. La parte di energia rifessa verso l alto si chiama albedo: rapporto tra l energia che in media viene rifessa dal Pianeta e l energia che il Pianeta riceve dal Sole. COME SI RISCALDA L ATMOSFERA? L atmosfera si riscalda col calore rifesso dalla superfcie terrestre, grazie al cosiddetto effetto serra. L atmosfera si comporta come i vetri di una serra: lascia fltrare le radiazioni solari, ma non lascia uscire quelle emesse dalla superfcie terrestre e ne conserva il calore. La quantità di radiazione assorbita e riemessa nello spazio sono uguali, per cui il bilancio termico Terraatmosfera, riferito al corso di un intero anno e a tutta la Terra, è in pareggio. Considerando zone specifche, il bilancio termico è: positivo nella zona equatoriale; negativo nelle zone polari. COME VARIA LA TEMPERATURA DELL ARIA? La temperatura è infuenzata principalmente dalla latitudine a dall altitudine. l In base alla latitudine, è maggiore alle basse latitudini, dove i raggi solari arrivano perpendicolari, e diminuisce procedendo verso le latitudini elevate, dove i raggi giungono sempre più obliqui. l In base all altitudine varia di 1 C ogni 100 metri nell aria secca, di 0,6 C nell aria umida. Il valore della diminuzione è chiamato gradiente termico. A parità di altitudine o latitudine, varia in base alla presenza o meno di acque; alla natura del suolo; all umidità; alla presenza o meno di vegetazione; alla durata del dì e della notte. Per avere un idea globale delle temperature della Terra in un dato intervallo di tempo, si rilevano le temperature in svariati luoghi e si tracciano su una carta geografca le isoterme, le linee che congiungono tutti i punti aventi la stessa temperatura. 42