Esercizi: La struttura della geosfera

La sezione della figura mostra gli strati concentrici della geosfera, ma uno di essi è contrassegnato con «?». Indica il nome di quello strato e ordina tutti gli strati dal più superficiale al più profondo.

Nomina i tre strati della geosfera e indica qual è il più esterno e qual è il più profondo. In quale di essi viviamo?

Se la Terra fosse una pesca, spiega quale parte del frutto rappresenterebbe la crosta, il mantello e il nucleo, e indica un limite di questo paragone.

Spiega che cos'è la geosfera e nomina con quali altre parti della Terra è a contatto in superficie (l'aria, l'acqua e gli esseri viventi), scrivendo il nome tecnico di ciascuna.

Quale strato della geosfera si trova subito sotto la crosta? E quale occupa il centro del pianeta? Ordina i tre strati dall'esterno verso l'interno.

Indica in quale stato si trovano i materiali del nucleo esterno e del nucleo interno, e spiega da quali due metalli sono formati soprattutto.

Il ferro del nucleo fa sì che la Terra si comporti come un gigantesco magnete.

1. a) Spiega quale strumento di uso quotidiano sfrutta quel magnetismo per orientarsi.
2. b) Ragiona su che cosa accadrebbe a tale strumento se il nucleo non fosse magnetico.

Qual è lo strato più sottile della geosfera? Confronta il suo spessore massimo ($70\ \text{km}$) con quello del mantello (circa $2\,900\ \text{km}$) e spiega che cosa significa questa differenza.

La crosta ha tra $5\ \text{km}$ e $70\ \text{km}$ di spessore, il mantello si estende per circa $2\,900\ \text{km}$ al di sotto e il nucleo ha un raggio di circa $3\,480\ \text{km}$. Calcola la distanza approssimativa dalla superficie al centro della Terra, stima quante volte in quella distanza entra un viaggio Roma–Milano (circa $620\ \text{km}$) e ragiona su quale piccola parte del percorso totale rappresenta la crosta, lo strato in cui viviamo.

Distingui tra crosta continentale e crosta oceanica: quale delle due è più spessa, dove si trova ciascuna e quali tipi di materiali predominano in esse.

Il nucleo ha una parte esterna liquida e una interna solida, anche se entrambe sono fatte di ferro e nichel. Spiega come è possibile che il nucleo interno, pur essendo la zona più calda del pianeta, si mantenga solido.

Il pozzo più profondo mai perforato ha raggiunto circa $12\ \text{km}$, e la distanza dalla superficie al centro della Terra è di circa $6\,370\ \text{km}$. Calcola che percentuale del cammino verso il centro siamo riusciti a perforare e ragiona su quali due difficoltà (temperatura e pressione) frenano le perforazioni profonde.

La crosta continentale è più spessa e meno densa di quella oceanica. Usando l'analogia di due iceberg di diverso spessore, spiega perché i continenti emergono sopra il livello del mare mentre la crosta oceanica resta sommersa.

Da dove viene il calore dell'interno della Terra? Spiega due fonti di quel calore (quello rimasto dalla formazione del pianeta e quello generato da certi materiali dell'interno) e nomina due prove di quel calore che possiamo osservare in superficie, come i vulcani o le acque termali.

Dove pensi che la crosta sia più spessa: sotto la catena dell'Himalaya o sotto l'oceano Pacifico? Motiva la tua risposta e spiega quale relazione c'è tra le montagne alte e le «radici» profonde della crosta.

Paragona la Terra a un uovo sodo (guscio, albume e tuorlo): spiega quale strato rappresenta ciascuna parte e indica due cose che il modello dell'uovo non rappresenta bene dell'interno terrestre.

La densità media dell'intera Terra è di circa $5{,}5\ \text{g/cm}^3$. Tuttavia, le rocce che formano la crosta continentale hanno una densità media di appena $2{,}7\ \text{g/cm}^3$ circa, e le peridotiti che alcuni vulcani profondi strappano al mantello raggiungono $3{,}3\ \text{g/cm}^3$. D'altra parte, molti meteoriti metallici che cadono dallo spazio sono formati da ferro e nichel con densità superiori a $7{,}5\ \text{g/cm}^3$.

1. a) A partire da questi dati di densità, dimostra perché è impossibile che la Terra sia omogenea al suo interno.
2. b) Deduci quale strato dell'interno terrestre deve corrispondere alla composizione dei meteoriti metallici affinché la densità media globale del pianeta torni con $5{,}5\ \text{g/cm}^3$.
3. c) Giustifica come lo studio dei resti di asteroidi e meteoriti provenienti dallo spazio ci permette di conoscere la composizione del centro del nostro pianeta senza bisogno di arrivarci.

La miniera d'oro di Mponeng (Sudafrica) è lo scavo umano più profondo della Terra: arriva a quasi $4\ \text{km}$ sotto la superficie. In quella zona, la temperatura in superficie è di $20\ ^\circ\text{C}$ e il gradiente geotermico medio è di $2{,}5\ ^\circ\text{C}$ ogni $100\ \text{m}$ di profondità.

1. a) Calcola quale temperatura raggiungerebbe la roccia sul fondo della miniera se non funzionasse alcun sistema artificiale di condizionamento dell'aria.
2. b) Un minatore può lavorare in sicurezza solo se la temperatura ambientale non supera i $32\ ^\circ\text{C}$. Calcola a quale profondità massima si raggiungerebbe quel limite di sicurezza senza refrigerazione.
3. c) Se applicassimo lo stesso gradiente in modo continuo fino al centro della Terra ($6\,371\ \text{km}$), quale assurda temperatura teorica si otterrebbe nel nucleo? Deduci che cosa ci insegna questo calcolo su come varia il gradiente geotermico negli strati più profondi.

In classe di scienze emergono due osservazioni che sembrano contraddittorie:

1. Le onde sismiche S generate dai terremoti si propagano solo nei mezzi solidi e attraversano tutto il mantello terrestre senza scomparire.

2. I continenti si spostano di alcuni centimetri all'anno perché il mantello su cui galleggiano scorre formando correnti di convezione nell'arco di milioni di anni.

1. a) Risolvi questa apparente contraddizione usando l'analogia della plastilina o della pece: spiega come un materiale possa comportarsi come un solido rigido di fronte a forze improvvise e brevi (un terremoto) e allo stesso tempo deformarsi plasticamente e scorrere sotto forze continue applicate per milioni di anni.
2. b) Prevedi che cosa accadrebbe alla superficie terrestre (rilievo, vulcani e terremoti) se il mantello fosse completamente liquido come l'acqua o la lava vulcanica invece di un solido plastico.

Immagina che una missione spaziale installi sismografi su un intero pianeta roccioso appena scoperto. Dopo che si è registrato un terremoto al polo nord di quel pianeta, si ottengono i seguenti dati:

• Le onde sismiche P (che viaggiano sia nei solidi sia nei liquidi) vengono registrate in quasi tutto il pianeta, anche se subiscono un brusco cambiamento di direzione e velocità a $2\,500\ \text{km}$ di profondità.

• Le onde sismiche S (che si propagano esclusivamente nei materiali solidi) vengono rilevate normalmente fino a $2\,500\ \text{km}$, ma scompaiono completamente più in basso e non arrivano a nessun sismografo dell'emisfero sud.

1. a) Interpreta queste registrazioni e deduci lo stato fisico (solido o liquido) dello strato compreso tra $0$ e $2\,500\ \text{km}$, e dello strato situato a maggiore profondità. Giustifica la tua deduzione.
2. b) Supponi che al centro di quel pianeta esista inoltre un nucleo interno completamente solido. Prevedi se le onde S originate dal terremoto del polo nord potranno arrivare a quel nucleo interno solido. Motiva la tua risposta a partire dal percorso che devono compiere.

Si dice spesso che la crosta della Terra è proporzionalmente sottile come la buccia di una mela. Verifichiamo con i dati se questa affermazione è scientificamente esatta:

• Raggio della Terra: $6\,370\ \text{km}$.

• Spessore medio della crosta continentale: $35\ \text{km}$; della crosta oceanica: $7\ \text{km}$.

• Una mela tipica ha un raggio di circa $40\ \text{mm}$ e lo spessore della sua buccia è di circa $0{,}3\ \text{mm}$.

1. a) Calcola la percentuale del raggio che rappresenta la buccia della mela e confrontala con la percentuale che rappresentano la crosta continentale e quella oceanica rispetto al raggio terrestre.
2. b) Alla luce dei tuoi calcoli, l'analogia popolare è corretta oppure la buccia della mela è proporzionalmente più spessa o più sottile della crosta terrestre? Giustificalo con i tuoi risultati.
3. c) Se costruissi un modellino sferico della Terra con un raggio di $20\ \text{cm}$ ($200\ \text{mm}$), calcola quanti millimetri di spessore avrebbero la crosta oceanica e la crosta continentale. Potresti disegnare la crosta oceanica in scala con la punta di una matita scolastica standard di $1\ \text{mm}$ senza esagerarla?

Disponiamo di mappe della superficie di Marte con una risoluzione di pochi metri grazie ai satelliti in orbita, ma conosciamo con molto meno dettaglio il fondo degli oceani della Terra, situato a soli pochi chilometri sotto l'acqua.

1. a) Spiega perché le fotocamere ad alta risoluzione e i radar dei satelliti orbitali non servono per cartografare il fondale marino profondo, indicando quale proprietà fisica dell'acqua marina lo impedisce.
2. b) Nella fossa delle Marianne (a $11\ \text{km}$ di profondità), la pressione è superiore a $1\,100$ atmosfere. Se dovessi progettare un robot sottomarino per scendere in quella zona, quali due difficoltà tecniche critiche dovresti risolvere per evitarne la distruzione e riuscire a raccogliere dati dal fondo?
3. c) Dato che la luce e il radar non penetrano nell'oceano profondo, deduci quale tipo di onde usano le navi oceanografiche per «vedere» e cartografare il rilievo sottomarino (sonar) e spiega brevemente come calcolano la profondità del fondale marino.

Due città europee vogliono costruire una centrale per riscaldare le case mediante energia geotermica profonda, sfruttando acqua sotterranea a $90\ ^\circ\text{C}$. In inverno, la temperatura superficiale in entrambe le città è di $0\ ^\circ\text{C}$:

• Reykjavík (Islanda): situata su una dorsale vulcanica attiva, il suo gradiente geotermico medio è di $15\ ^\circ\text{C}$ ogni $100\ \text{m}$ di profondità.

• Helsinki (Finlandia): situata su uno scudo continentale antico e freddo, il suo gradiente geotermico è di $2\ ^\circ\text{C}$ ogni $100\ \text{m}$ di profondità.

1. a) Calcola a quale profondità minima deve perforare ciascuna città per raggiungere la roccia a $90\ ^\circ\text{C}$ necessari.
2. b) Tenendo conto del costo e della difficoltà tecnica di perforare pozzi profondi, giustifica perché il riscaldamento geotermico diretto è molto redditizio in Islanda, ma risulta quasi economicamente inattuabile nella maggior parte del continente europeo.
3. c) Spiega l'origine del calore interno che sfrutta l'Islanda e ragiona sul perché si trovi a così poca profondità rispetto alla Finlandia.

Nel celebre romanzo Viaggio al centro della Terra di Jules Verne, i protagonisti scendono a piedi lungo il condotto di un vulcano inattivo e trovano enormi caverne vuote percorribili, un oceano sotterraneo e temperature gradevoli a centinaia di chilometri di profondità.

1. a) Tenendo conto della pressione litostatica (l'enorme peso delle rocce sovrastanti), prevedi che cosa accadrebbe a qualsiasi grotta o galleria vuota a più di $15\ \text{km}$ di profondità. Perché è fisicamente impossibile che esistano caverne aperte nel mantello terrestre?
2. b) L'acciaio comune fonde a circa $1\,400\ ^\circ\text{C}$ e il titanio a $1\,668\ ^\circ\text{C}$. Sapendo che al limite tra mantello e nucleo la temperatura è intorno ai $4\,000\ ^\circ\text{C}$, giustifica perché è inattuabile costruire un veicolo o una trivella che scenda fisicamente fino al centro del pianeta.
3. c) Se la temperatura al centro della Terra è ancora più alta (raggiunge quasi i $6\,000\ ^\circ\text{C}$), come è possibile che il nucleo interno sia solido mentre il nucleo esterno, che è a temperatura minore, è liquido? Risolvi questa apparente contraddizione spiegando il ruolo della pressione.