La Terra

La Terra è il terzo pianeta del sistema solare in ordine di distanza dal Sole; unico, allo stato attuale delle conoscenze, che ospiti la vita. Ha una composizione prevalentemente rocciosa e una forma irregolare, riconducibile in prima approssimazione a un ellissoide. Presenta una struttura a strati, con un nucleo pesante, un mantello intermedio e una crosta più leggera, ed è all'origine di una magnetosfera. Oltre che dal Sole, attinge energia per le sue complesse dinamiche da una riserva di calore immagazzinata al suo interno. Compie un complicato sistema di moti periodici nello spazio, i più importanti dei quali sono la rotazione intorno al proprio asse e la rivoluzione intorno al Sole.

Forma

Calcoli recenti basati sullo studio delle irregolarità orbitali di satelliti artificiali hanno permesso di appurare che la Terra presenta effettivamente una forma di ellissoide, ma lievemente deformata "a pera": la differenza tra il raggio minimo equatoriale e il raggio polare (distanza tra il centro della Terra e il Polo Nord) è di circa 21 km, inoltre il Polo Nord "sporge" rispetto all'ellissoide regolare di circa 10 m, mentre il Polo Sud è "schiacciato" di 31 m.

Moti

Andiamo ad analizzare singolarmente i moti terrestri.

Moto di rotazione e rivoluzione

Si compie i un giorno sidereo che dura 23 ore 56 minuti e 4 secondi in direzione ovest-est. Poiché ogni punto della sua superficie compie in un giorno un intero giro di 360°, qualunque sia la lunghezza del parallelo da esso descritto, la velocità angolare è uguale a tutte le latitudini fatta eccezione per i poli dove è nulla. La velocità lineare varia invece a seconda della latitudine; è massima all'Equatore (463 mt/s) e nulla ai poli. Naturalmente col diminuire della velocità lineare diminuisce la forza centrifuga

F_c=  mw²R ma w²= V²/R² F_c= mV²/R

mentre va aumentando quella di gravità.

F_g= ma         a= w²R F_g= mw²R

Prove della rotazione terrestre sono state date dalle esperienze di Guglielmini e di Foucault nonché dalla legge di Ferrel.

Il primo basò il suo esperimento sull'osservazione della caduta libera dei corpi: un grave lasciato cadere da un punto elevato della superficie terrestre devia dalla verticale del punto di partenza spostandosi verso est. Tale fenomeno è spiegabile solo se ammettiamo il moto rotatorio della terra da ovest verso est, poiché in questo caso anche il corpo, che si troverà nel caso di Guglielmini sulla torre degli asinelli, dovrà partecipare alla rotazione terrestre assumendo la Vl del punto di partenza e mantenendola durante la caduta. Avendo Vl maggiore cadrà più avanti.

Foucault invece nel 1851 fornì la sua spettacolare dimostrazione della rotazione della Terra mediante un pendolo sospeso a un filo di acciaio nella cupola del Panthéon di Parigi: il peso del pendolo recava all'estremità inferiore uno stilo che segnava la traccia delle oscillazioni su un fondo di sabbia; nell'arco di una giornata, Foucault mostrò che la traccia non rimaneva sempre nella stessa posizione, ma compiva una rotazione completa; poiché in assenza di forze esterne il piano di oscillazione del pendolo deve rimanere sempre uguale a se stesso, la rotazione della traccia rappresentava una dimostrazione incontestabile della rotazione della Terra.

Per quanto riguarda la legge di Ferrel, dobbiamo dire che questa riguarda le masse fluide: a causa della rotazione terrestre, un corpo che si muove liberamente sulla Terra viene deviato dalla sua posizione iniziale verso ovest ( se si sposta dai poli alla equatore) o verso est (se si sposta dall'equatore ai poli). Il fenomeno si spiega col fatto che un corpo in moto tende a conservare la Vl di rotazione cha aveva nel suo punto di partenza. Quindi se si sposterà verso i poli, andrà verso punti con una Vl minore quindi si troverà in vantaggio e devierà verso est; viceversa se si sposterà dai poli all'Equatore.

L'entità della deviazione Fd=  2mvw senf

Altra prova è l'alternarsi del di e della notte.

La posizione della Terra nello spazio non è stazionaria ma è il risultato di una complessa composizione di moti con caratteristiche e periodicità differenti. Il pianeta Terra orbita intorno al Sole, a una distanza media di 149.503.000 km e con una velocità media di 29,8 km/s, compiendo una rivoluzione completa in 365 giorni, 6 ore 9 minuti e 10 secondi (il periodo di rivoluzione è detto anno sidereo). La traiettoria di quest'orbita è un'ellisse lievemente eccentrica, ovvero pressoché circolare, con una lunghezza pari a circa 938.900.000 km.

Prova della rivoluzione terrestre è l'alternanza delle stagioni.

Possiamo individuare quattro fasi distinte: 21 marzo, 21 giugno, 23 settembre e 22 dicembre. Nella prima e nella terza si parla di equinozi, nella seconda e nella quarta di solstizi.

Durante l'equinozio il sole è allo zenit dell'equatore viceversa, ai solstizi è allo zenit prima al tropico del cancro e poi del tropico del capricorno.

Moto doppio conico dell'asse e precessione degli equinozi

Come si è visto, durante il moto di rivoluzione, l'asse di rotazione tende a mantenere inalterata la sua orientazione. Ciò è dovuto al fatto che la terra gira attorno al proprio asse e, come tutti i giroscopi (trottole), si oppone ad ogni sollecitazione che tenda a modificarne l'assetto di rotazione (il momento angolare è una quantità vettoriale e si mantiene costante in modulo, direzione e verso). La luna, il sole ed i pianeti esercitano però sulla terra un'attrazione gravitazionale che risulta maggiore sul rigonfiamento equatoriale, dove è presente un eccesso di massa, rispetto ai poli. Tale attrazione tenderebbe a raddrizzare l'asse portandolo a 90° rispetto al piano dell'eclittica. Il risultato di tali forze su di un sistema rotante, qual è la terra, è quello  di produrre una rotazione dell'asse il quale, facendo perno sul centro della terra, descrive due coni aventi vertice al centro della terra.

Poiché l'equatore celeste è perpendicolare all'asse terrestre, anch'esso esegue il medesimo movimento, cambiando lentamente l'orientazione rispetto alle stelle fisse. Anche la linea degli equinozi ruota rispetto alle stelle fisse con la stessa velocità dell'asse terrestre. Tale rotazione oraria della linea degli equinozi è nota come precessione degli equinozi. La precessione si completa in un periodo di circa 26.000 anni, detto anno platonico.

Conseguenze della precessione

I punti equinoziali stanno lentamente scivolando in senso orario sull'eclittica attraverso le costellazioni zodiacali. Tenendo conto che una costellazione dello zodiaco ha un'ampiezza di 30°, gli equinozi (ed i solstizi) percorrono ciascuna costellazione in 1/12 di anno platonico, pari  a circa 2.150 anni. Se l'equinozio di primavera cadeva 2000 anni fa nella costellazione dell'Ariete, oggi cade nei Pesci. Ma in generale tutti i segni zodiacali sono slittati rispetto alle posizioni che avevano quando è nata l'astrologia (senza che gli astrologi abbiano mostrato di accorgersene).

Tra 13.000 anni circa l'asse terrestre, avrà compiuto mezzo giro e non punterà più verso la stella polare, ma verso Vega nella costellazione della Lira, che dista ben 47° dalla polare.

I punti equinoziali (e quindi le stagioni) cambiano la loro posizione rispetto all'orbita terrestre. Attualmente gli equinozi si trovano circa a metà strada tra afelio e perielio (apsidi), ma lentamente li raggiungeranno.

Movimento di rotazione della linea degli apsidi

l'orbita terrestre è un ellisse e le posizioni assunte dagli altri pianeti rispetto ad essa tendono a modificarne l'orientamento. Come conseguenza delle perturbazioni gravitazionali planetarie essa ruota in senso antiorario, facendo perno sul sole, in circa 111.500 anni.

Se l'orbita rimanesse ferma, un punto equinoziale (o solstiziale) la percorrerebbe completamente in circa 26.000 anni. Ma l'orbita terrestre, e con essa la linea degli apsidi, va incontro alla linea degli equinozi e ne abbrevia in questo modo il periodo di rotazione rispetto all'eclittica a circa 21.000 anni. In altre parole gli equinozi (e naturalmente anche i solstizi) impiegano circa 21.000 anni a percorrere tutta l'orbita e come conseguenza le stagioni sono destinate a manifestarsi in punti via via diversi dell'orbita.

In prima approssimazione la linea degli equinozi si sovrappone alla linea degli apsidi ogni 21.000 anni circa e le stagioni si ribaltano ogni 10.500 anni. In altre parole dopo 10.500 anni circa l'asse si trova ad aver compiuto mezzo giro rispetto al sole e le condizioni termiche risultano completamente invertite.

Composizione

La Terra può essere schematicamente suddivisa, procedendo dall'esterno verso l'interno, in cinque porzioni: l'atmosfera (gassosa), l'idrosfera (liquida), la litosfera (solida), il mantello e il nucleo, in parte solidi. L'atmosfera, costituita prevalentemente da azoto (N2) e ossigeno (O2), è l'involucro gassoso che circonda il corpo del pianeta: ha uno spessore di oltre 1100 km, ma data la rarefazione progressiva all'aumentare della quota, circa la metà della sua massa è concentrata nei primi 5600 metri.

Idrosfera

Con il termine idrosfera si intende l'insieme delle acque che, raccolte per la massima parte negli oceani, coprono approssimativamente il 70,8% della superficie del globo. L'idrosfera comprende, oltre agli oceani, anche i mari interni, i laghi, i fiumi e le acque sotterranee. Gli oceani hanno una profondità media pari a 3794 m, circa cinque volte l'altezza media dei continenti, e una massa complessiva uguale a circa 1.350.000.000.000.000.000 (1,35 × 1018) tonnellate, cioè circa 1/4400 della massa totale della Terra.

Litosfera

La litosfera è lo strato del pianeta profondo fino a 100 km, che comprende la crosta - rocciosa - e la parte del mantello caratterizzata da un comportamento rigido. Il mantello a comportamento plastico e il nucleo costituiscono invece la parte interna del pianeta e rappresentano la maggior parte della sua massa. Le rocce della crosta terrestre hanno una densità media di 2,7 g/cm³ .

La litosfera non ricopre uniformemente il globo, ma è frammentata in una molteplicità di placche rigide in movimento relativo convergente o divergente le une rispetto alle altre. Le interazioni tra le zolle litosferiche sono all'origine di tutta la dinamica della crosta terrestre, vale a dire del sollevamento delle catene montuose, dell'espansione dei fondi oceanici, dei fenomeni sismici e vulcanici. Il complesso di questi fenomeni è spiegato da una teoria sviluppata nel corso del XX secolo e nota come tettonica a zolle.

Crosta

È la parte più esterna del pianeta il cui spessore varia da una media di 35 km sotto i continenti toccando massimi di 60-70 km sotto le catene montuose. La sua composizione è molto eterogenea e la sua densità varia tra 2,7 e 3 g/cm³ . La base della crosta è indicata con una brusca discontinuità sismica nota come Moho, considerata il limite tra la crosta e il mantello.

Esistono due tipi di crosta, che differiscono sia per la natura e la struttura delle rocce costituenti, sia per l'età, sia per il livello medio della superficie. La crosta di tipo continentale costituisce i continenti, la piattaforma continentale e parte dell'adiacente scarpata continentale. È costituita da rocce magmatiche, metamorfiche e sedimentarie, che hanno una composizione chimica media prossima a quella del granito e un'età estremamente variabile: le più antiche possono risalire addirittura a 4 miliardi di anni fa.

La crosta di tipo oceanico costituisce invece il pavimento dei bacini oceanici ed è costituita prevalentemente da rocce di composizione basaltica. L'età di queste rocce non è maggiore di 190 milioni di anni.

Mantello

Rappresenta l'82% del volume della terra e si estende dal Moho fino a 2900km di profondità dove è presente un'altra discontinuità sismica detta di Gutemberg. La Moho, con la quale si fa iniziare il mantello, corrisponde ad un brusco aumento della velocità con cui si propagano le onde sismiche nei confronti della velocità con cui si propagano nella crosta, e questo significa che le rocce del mantello devono avere una maggiore rigidità.

Il mantello superiore, rigido, è separato dalla crosta da una discontinuità sismica, detta Moho, e dal mantello inferiore da uno strato a comportamento più plastico, l'astenosfera. Il mantello superiore, scorrendo lateralmente sulle rocce parzialmente fuse che costituiscono l'astenosfera, spessa un centinaio di chilometri, permette la deriva dei continenti e l'espansione dei fondi oceanici.

Il mantello si estende dalla base della crosta fino a una profondità di circa 2900 km. Il suo strato più esterno - l'astenosfera - si trova allo stato fluido, mentre la parte rimanente è solida, con una densità che cresce all'aumentare della profondità, variando tra 3,3 e 6. Il mantello superiore è composto da silicati di ferro e magnesio; la parte inferiore consiste probabilmente di una miscela di ossidi di magnesio, silicio e ferro organizzati in strutture cristalline tipiche di condizioni di temperatura e pressione elevate.

Nucleo

La transizione tra il mantello e il nucleo è rivelata da una superficie di discontinuità sismica detta discontinuità di Gutenberg. Gli studi sismologici mostrano che il nucleo ha un guscio esterno costituito da materiale fluido, spesso circa 2225 km, con densità media pari a 10. La sua superficie esterna presenta depressioni e picchi; questi ultimi si formano probabilmente dove il materiale caldo sale verso l'alto. Al contrario, il nucleo interno, che ha un raggio di circa 1275 km, è solido. Si pensa che entrambi gli strati del nucleo siano composti di ferro, con una piccola percentuale di nichel e di altri elementi. La temperatura nel nucleo interno è valutata in circa 6650 °C e la densità media è stimata intorno a 13.

CALORE INTERNO

Fatti che rientrano all'interno dell'esperienza comune come l'attività dei vulcani, la fuoriuscita di sorgenti calde e l'aumento di temperatura man mano che scendiamo verso il centro della Terra ci dimostrano che l'interno del nostro pianeta è caldo tanto più si scende in profondità. In effetti, anche se il calore che riceviamo è dovuto principalmente alla radiazione solare, la Terra perde calore da tutta la sua superficie.

Questo flusso termico è molto basso (0,06W per m²), tuttavia questo è il più imponente tra i fenomeni terrestri poiché la quantità di energia che viene liberata in un anno è 50 volte maggiore di quella liberata da terremoti ed eruzioni vulcaniche.

Questo flusso di calore è attribuito alla radioattività di alcuni elementi della superficie terrestre. Isotopi radioattivi sono presenti sia sulla crosta che nel mantello, il loro calore, determinato dal movimento delle particelle genera questo fenomeno.

ETÀ E ORIGINE 

I metodi di datazione basati sullo studio dei radioisotopi hanno consentito agli scienziati di stimare l'età della Terra in 4,65 miliardi di anni. Benché le più vecchie rocce terrestri datate in questo modo non raggiungano i 4 miliardi di anni, alcune meteoriti, che sono simili geologicamente al nucleo del nostro pianeta, risalgono a circa 4,5 miliardi di anni fa e si ritiene che la loro cristallizzazione sia avvenuta approssimativamente 150 milioni di anni dopo la formazione della Terra e del sistema solare.

Il nostro pianeta, subito dopo la sua formazione (avvenuta probabilmente per aggregazione gravitativa di materia libera nello spazio), doveva essere un corpo quasi omogeneo e relativamente freddo. La contrazione gravitazionale provocata dal progressivo accrescimento della sua massa produsse un aumento di temperatura. L'aumento di temperatura giunse a un livello tale da innescare un processo di parziale fusione del pianeta e la conseguente riorganizzazione dei suoi componenti in strati concentrici - crosta, mantello e nucleo: i silicati, più leggeri, risalirono verso la superficie della massa fluida, formando il mantello e la crosta, mentre gli elementi pesanti, soprattutto ferro e nichel, affondarono perlopiù verso il centro. Al tempo stesso, tramite le eruzioni vulcaniche, gran parte dei gas leggeri vennero espulsi dal mantello e dalla crosta. Alcuni di questi gas, in particolar modo l'anidride carbonica e l'azoto, andarono a costituire l'atmosfera primordiale, mentre il vapore acqueo condensava, dando origine ai primi oceani.

MAGNETISMO 

La Terra è circondata da un intenso campo magnetico, come se al suo interno fosse situato un enorme magnete. I geofisici ritengono che tale campo sia prodotto dai moti convettivi degli elementi metallici presenti allo stato fuso nel nucleo terrestre. L'ago di una bussola si orienta sempre nella direzione dei poli magnetici.

La Terra nel suo insieme si comporta come un enorme magnete. Il campo magnetico terrestre, infatti, è molto simile a quello che si osserverebbe collocando al centro del pianeta una barra magnetica con l'asse inclinato di circa 11° rispetto all'asse di rotazione terrestre. Benché gli effetti del geomagnetismo siano noti e sfruttati da molte centinaia di anni (ad esempio con la bussola), i primi studi scientifici su questa proprietà del nostro pianeta vennero compiuti intorno al 1600 dal fisico e filosofo britannico William Gilbert.

Poli magnetici

Il fatto che l'asse del campo magnetico terrestre non coincida con l'asse di rotazione fa sì che anche i poli magnetici siano distinti da quelli geografici. Il polo nord magnetico attualmente si trova al largo delle coste occidentali delle isole Bathurst, nei Territori del Nord-Ovest canadesi, quasi 1290 km a nord-ovest della baia di Hudson. Il polo sud magnetico si trova invece sul bordo del continente antartico, nella zona di Terra Adelia, circa 1930 km a nord-est di Little America.

La posizione dei poli magnetici non è fissa, ma muta in modo sensibile da un anno all'altro. Il campo magnetico terrestre, infatti, varia in direzione con una perdiodicità di circa 960 anni, e inoltre compie piccole variazioni su scala giornaliera. Recenti studi effettuati sulla magnetizzazione fossile dei sedimenti marini hanno rilevato un'ulteriore periodicità nelle variazioni del campo geomagnetico, di 100.000 anni. Essa, secondo gli scienziati, potrebbe essere legata alla variazione di eccentricità dell'orbita terrestre, che avviene appunto secondo un ciclo di 100.000 anni.

Studi recenti del magnetismo residuo nelle rocce e delle anomalie magnetiche dei fondi oceanici dimostrano inoltre come, negli ultimi 100 milioni di anni, si siano verificate almeno 170 inversioni di polarità del campo magnetico terrestre.