L.M. FISICA del SISTEMA TERRA

Transcript

1 L.M. FISICA del SISTEMA TERRA A.A. 2012/13 LM -17 Classe Fisica

2 Lista 1 (caratterizzanti) 36 CFU tutti i corsi prevedono 6 cfu Corsi nei SSD FIS/06, GEO/10, GEO/12 Fondamenti di Geofisica 1 - I sem Fondamenti di Geofisica 2 (6 cfu) - II sem Geodesia 1 (6 cfu) I sem Laboratorio di Geofisica Numerica - I sem Laboratorio di Geofisica 1 I sem

3 Segue Lista 1 (caratterizzanti) Meteorologia dinamica I sem Oceanografia Fisica - II sem Sismologia Teorica II sem Strato Limite Planetario e Diffusione Turbolenta I sem Trasferimento radiativo II sem

4 Lista 2 e 3 (ambiti Fisica sperimentale e Applicata) Corso a scelta FIS/01 o FIS/07 (6 cfu) «Laboratorio di Fisica dell Atmosfera Atmosfera» II sem Corso a scelta FIS/03 o FIS/04 (6 cfu) solo per ex FAM «Fisica della Materia e della radiazione» (I sem)

5 Lista 4 Affini e Integrativi 18 cfu tutti i corsi prevedono 6 cfu SSD GEO/10 Fisica del Vulcanismo - I sem Geodesia 2 II sem Laboratorio di Geofisica 2 II sem Sismologia I sem Tettonofisica I sem (consigliato al 2 2 anno) Tomografia Sismica I sem anno) sem (consigliato al 2 2

6 Segue Lista 4 SSD CHIM/02 Chimica Fisica della Stratosfera II sem SSD MAT/07 Fisica Matematica I sem Modelli e Metodi Num. per la Fisica II sem

7 Corsi a libera scelta (12 cfu) possibile 1 solo corso da 12 cfu in Ateneo previa approvazione CdS Idoneita` ` lingua Inglese B (6 cfu) Prova finale (36 cfu) Attivita` Propedeutica (10 cfu) Tesi di LM (26 cfu)

8 Le discipline geofisiche Fisica del Vulcanismo Geodesia Geotermia Sismologia Geomagnetismo Fisica dei Maremoti Gravimetria Tettonofisica Climatologia Oceanografia Meteorologia Fisica dell atmosfera Glaciologia Dipartimento di Fisica Università di Bologna

9 Il sistema Terra Il pianeta Terra è costituito da diverse parti che interagiscono tra loro producendo numerosi fenomeni fisici. La Fisica della Terra quindi deve comprendere molte discipline, ciascuna interessata a fenomeni diversi, o studiati (tradizionalmente) da punti di vista diversi. Per capire molti dei processi che avvengono nel Sistema Terra, ogni disciplina deve interagire con le altre e con le geoscienze in generale. I processi che avvengono nell atmosfera terrestre sono studiati soprattutto da: Fisica dell Atmosfera Climatologia Meteorologia Il campo magnetico terrestre è studiato soprattutto da Geomagnetismo, il campo gravitazionale terrestre da Gravimetria venti correnti oceaniche e maree pressione atmosferica momento elettromagnetico rotazione terremoti rimbalzo post-glaciale convezione del mantello topografia del nucleo Nucleo Interno Nucleo Esterno momento viscoso maree luni-solari tettonica a placche vulcani Crosta Mantello carico degli oceani scioglimento dei ghiacciai acque continentali Il sistema Terra-acqua è studiato soprattutto da: Oceanografia Fisica dei Maremoti Glaciologia L interno della Terra è studiato soprattutto da: Geodesia Sismologia Tettonofisica Fisica del Vulcanismo Geotermia

10 Esempi di fenomeni che richiedono un approccio integrato fra le varie discipline: Un terremoto al di sotto dei fondali oceanici genera onde di tsunami, che viaggiano a velocita ~ 700 km/h sui bacini oceanici, ma rallentano e aumentano di ampiezza in prossimita` delle coste. Le precipitazioni atmosferiche interagiscono con il suolo e la capacita` di questo di drenare le piogge e` cruciale per valutare l impatto di forti precipitazioni. Le variazioni climatiche determinano il progressivo scioglimento delle calotte glaciali, che a sua volta determina complesse variazioni del livello marino, a causa della risposta isostatica del pianeta, che coinvolge il mantello terrestre.

11 Variazioni climatiche e loro interazione con il Pianeta aumento T atm (effetto serra CO2 non solo!) aumento vapore modifica nuvolosità feedback positivo o negativo? aumento T mare mare aumento livello marino scioglimento calotte glaciali Variazioni complesse del livello marino Feedback su T atm e T marina

12

13 Alcuni dati sul Livello marino

14 e prima?

15 ma occorre un intervallo di tempo più lungo eppure in Scandinavia e Nord America il livello del mare è sceso di oltre 300 m nel corso degli ultimi 20,000 anni!!!

16 La spiegazione e` legata alla natura fluida del mantello terrestre.

17 Il post-glacial rebound Mostra inequivocabili proprietà viscose per il mantello: il suo studio coinvolge le seguenti discipline/ osservazioni Glaciologia Climatologia Geodesia Erosione costale Datazioni radiometriche e fossili Stima di Viscosità del mantello: Pa s

18 Che relazione c èc fra scioglimento dei ghiacci e livello marino? Se si sciogliessero tutte le calotte glaciali, verrebbe immesso negli oceani uno spessore d acqua di ~ 120 m. Ma il livello marino crescerebbe di soli 80 m a causa del riaggiustamento isostatico. Il livello del mare è (in buona approssimazione) una superficie equipotenziale [geoide]. Ma la ridistribuzione delle masse d acqua d altera il campo di gravità e quindi il geoide. L equazione del sea level e` quindi piuttosto complicata...

19 A model of present-day mass change due to post-glacial rebound and the reloading of the ocean basins with seawater. Blue and purple areas indicate rising due to the removal of the ice sheets. Yellow and red areas indicate falling as mantle material moved away from these areas in order to supply the rising areas, and because of the collapse of the forebulges around the ice sheets

20 Al termine dell ultima era glaciale (20,000 anni fa) gran parte della Finlandia era un arcipelago di isolette, il mar baltico era molto piu` esteso. Tracce di spiagge fossili si trovano a quote di 330 m sopra l attuale livello del mare! Viceversa, in Italia, le foci del Po erano all altezza di Ancona!

21 Esigenza di continuo confronto fra dati e modelli La teoria dell isostasia di Airy (1857) spiegava le anomalie gravimetriche in termini di radici delle catene montuose, dotate di bassa densità rispetto alle rocce circostanti: crosta rigida e mantello fluido. Ai primi del 1900 Mohorovicic scopre una discontinuità nella velocità delle onde sismiche a circa 30 km di profondità che scende a km sotto le catene: la crosta di Airy esiste davvero! ma il mantello non è fluido: le onde S lo mostrano inequivocabilmente

22 Le eterogeneità determinano innumerevoli riflessioni e rifrazioni: dalla complessità dei sismogrammi si può risalire alla complessità del mezzo attraversato.

23 Nuovi modelli debbono essere elaborati per spiegare osservazioni strane Solidi elastici, fluidi viscosi e solid state creep : : la fisica dello stato solido spiega il paradosso solido- fluido per il mantello. Ma allora, nel mantello solido può verificarsi convezione? come possiamo verificarlo? Moto delle placche tettoniche Tomografia sismica Geotermia

24 Anche l età di continenti e oceani è molto diversa: Età continenti > 10 9 anni Età oceani ~ 10 8 anni Le anomalie magnetiche ci hanno fornito un metodo di misura dell eta` della crosta oceanica, basato selle inversioni del campo magnetico terrestre nel corso del tempo: L ultima inversione e` avvenuta 700 mila anni fa. Rocce ignee magnetizzate in direzioni opposte testimoniano l epoca di solidificazione.

25 Dall età possiamo risalire alla velocità di espansione dei fondali oceanici

26 La tomografia sismica rivela bassa velocità in corrispondenza delle zone divergenti (dorsali oceaniche) e alta nelle zone convergenti (fosse) zone + calde e + fredde? Moti convettivi ascendenti sotto le dorsali? Ma l evidenza l fornita dal flusso di calore è molto più esplicita (misure + facili nei fondali oceanici che in terraferma!)

27 Misure del flusso di calore mostrano valori elevati in corrispondenza delle dorsali oceaniche.

28 Le ipotesi formulate per spiegare le osservazioni debbono essere testate in modo quantitativo tramite l impiego delle equazioni della fisica e di modelli matematici. Diversamente dalla Fisica Galileiana non e` possibile replicare a piacimento un evento (passaggio di un fronte meteorologico, terremoto, tsunami o eruzione vulcanica). Inoltre,, non e` possibile fissare a piacimento le condizioni iniziali e al contorno. Infine, molti parametri che governano l evoluzione del nostro Pianeta sono inaccessibili alla osservazione diretta.

29 Conseguenze epistemologiche: Importanza dei modelli in Fisica della Terra: ogni nuovo evento/osservazione è testato tramite i migliori modelli disponibili. I modelli matematici in Fisica della Terra assumono il ruolo dell esperimento esperimento nella Fisica Galileiana: l assioma di riproducibilità riguarda la capacità di un modello di spiegare nuovi dati e osservazioni; pertanto è necessario saper descrivere le relazioni costitutive dei vari materiali che compongono il pianeta ed inserirle nelle leggi fondamentali della Fisica.

30 Importanza del problema inverso in Geofisica: tramite i modelli possiamo risalire ai valori dei parametri fisici che descrivono regioni site a profondita` inaccessibili all osservazione diretta, partendo da osservazioni fatte in superficie. Analogamente, tecniche di remote sensing consentono di monitorare lo stato dell atmosfera atmosfera, degli oceani e della superficie terrestre tramite osservazioni dallo spazio o da terra. Necessità di reti globali di misura: il monitoraggio dell attività geodinamica, sismica, meteorologica, climatologica, oceanografica è una impresa necessariamente internazionale.

31 Misurare in superficie osservabili che, secondo modelli fisici, dipendono dalle proprietà dell interno inaccessibile. Un esempio banale: 2 g = 9.8ms e I = 0.33Ma ci dicono che al centro della Terra ci sono materiali molto più densi che nelle regioni esterne; già prima dell avvento delle tecniche sismologiche era noto che al centro della Terra ci deve essere un NUCLEO molto denso, presumibilmente costituito di Ferro. 2

32 In conclusione ( perché bisogna concludere ) Studiare il nostro Pianeta è un compito affascinante e a volte ricco di sorprese. Per gestire correttamente il pianeta: è indispensabile, in primo luogo, monitorare lo stato e la dinamica del pianeta (atmosfera, oceani, litosfera); è altrettanto necessario conoscere la struttura del pianeta, talvolta inaccessibile all osservazione diretta. Questi studi ci consentono di valutare i Rischi connessi ai fenomeni naturali, di fare previsioni a breve, medio e lungo termine sulla evoluzione del Pianeta, di correggere errori di programmazione. Ma questi studi ci consentono anche di utilizzare a nostro vantaggio le tante risorse che il Pianeta ci offre: le cosidette energie rinnovabili (solare, eolica, geotermica )

33 Tempi di transito delle onde primarie e percorsi dei raggi sismici

34 La distinzione fra continenti e oceani è fondata su basi più importanti del semplice livello del mare : piattaforme continentali ~ granito fondali oceanici ~ basalto.