Cinque miliardi di anni fa la terra si formò a partire da una agglomerazione e dal bombardamento di meteroiti e comete. L'immensa quantità di energia rilasciata sotto forma di calore a causa del "bombardamento" sciolse l'intero pianeta che è tuttora in fase di raffreddamento. I materiali più densi delle meteoriti, come il ferro (Fe), si concentrarono nel nucleo della Terra mentre, al contrario, i composti più leggeri, quali i silicati (Si), i composti di ossigeno e l'acqua delle comete si stabilizzarono presso la superficie.
Semplificando la reale complessità della struttura interna della Terra, possiamo pensarla suddivisa essenzialmente in 4 gusci concentrici e partendo dal centro della Terra troviamo: il nucleo interno, il nucleo esterno, il mantello e la crosta (nella figura il limite nucleo esterno - nucleo interno è posto a 5200 km di profondità, altri testi indicano il limite a 4980 km, il raggio medio terrestre misura 6378 km). Il nucleo è composto principalmente da ferro e si trova in condizioni di pressione e temperature tali da poter essere considerato "liquido", con una percentuale di circa il 10% di solfuri (S). Le condizioni di pressione raggiungono invece nel nucleo interno valori tali da renderlo "solido". La maggior parte della massa della Terra è costituita dal mantello, che è essenzialmente composto da Ferro (Fe), magnesio (Mg), alluminio (Al), silice (Si) e composti di silicati di ossigeno (O). Oltre i 1000 gradi centigradi il mantello risulta solido ma può deformarsi in modo plastico. La crosta è molto più sottile degli altri "gusci" (o strati) ed è composta da materiali meno densi e principalmente da calcio (Ca) e minerali allumo-silicati di sodio (Na). Essendo relativamente fredda essa risulta fragile e può quindi fratturarsi dando luogo ai terremoti.
I terremoti comunque avvengono anche a profondità superiori rispetto a quelle crostali, ad esempio nelle zone di subduzione (per maggiori dettagli si veda la sezione dedicata alla "Tettonica a Zolle" ed alle "Onde Sismiche").
Come è stato scoperto il nucleo terrestre? Le registrazioni delle onde sismiche generate dai terremoti hanno dato i primi indizi. Le onde sismiche si piegano e si rifraggono alle interfacce dei diversi materiali, come ad esempio un raggio di luce che attraversa un prisma.
Inoltre, i due tipi principali di onde, che abbiamo visto nel capitolo dedicato alle onde sismiche, hanno comportamenti differenziati a seconda del materiale attraversato. Infatti le onde P viaggiano e si propagano sia attraverso materiali solidi che fluidi, mentre le onde S (che sono onde caratterizzate da un movimento di taglio) non viaggiano nei fluidi come acqua o aria, dato che questi ultimi materiali non possono supportare il movimento "side-to-side" delle particelle, caratteristico delle onde S.
I sismologi notarono che le registrazioni di un terremoto, effettuate in tutti i luoghi intorno alla superficie della Terra, cambiavano radicalmente da una certa distanza in poi, in particolare a circa 103 gradi di distanza (in sismologia usa esprimere le distanze in termini angolari come angolo tra ricevitore, centro della Terra e sorgente del terremoto; 1 grado equivale a circa 111 km). Dopo 103 gradi l'ampiezza delle onde P descresce in maniera molto netta e le prime registrazioni di onde P dirette ricompaiono a distanze superiori ai 144 gradi. L'area tra 103 e 144 gradi rappresenta un zona d'ombra (shadow zone) per l'arrivo di onde P dirette. Non si hanno però arrivi ancora di onde S. Perchè vi sia una zona d'ombra deve esistere un gradiente di velocità negativo (cioè la velocità deve diminuire all'aumentare della profondità, i raggi alla discontinuità mantello-nucleo "curvano" verso il basso allontanandosi dalla verticale, si pensi alla legge di Snell ed alle leggi che, ad esempio, governano l'ottica) e questo avviene nel passaggio mantello - nucleo esterno. Inoltre, la scomparsa delle S giustifica il fatto che il nucleo esterno sia fluido. In base a questa osservazioni, la Terra deve dunque avere un nucleo esterno fluido.
Possiamo fare una rozza stima della dimensione del nucleo terrestre semplicemente assumendo che l'ultima fase S, prima della zona d'ombra che parte a 103 gradi, viaggi in linea retta. Sapendo che il raggio della Terra è circa 6350 km abbiamo un triangolo rettangolo dove il coseno della metà di 103 gradi (in figura sopra è riportato 105 gradi, più precisamente la zona d'ombra parte da 103 gradi) è uguale al raggio del nucleo diviso per il raggio della Terra (la stima che viene fuori è approssimata al 10 % rispetto al valore di circa 3470 km che è la dimensione del nucleo).
Una informazione indipendente sul fatto che il nucleo esterno sia fuso e liquido ci viene dal fatto che la Terra ha un campo magnetico. Una bussola si allinea con il campo magnetico in qualunque punto della Terra (ad esempio Marte e la Luna non hanno campo magnetico). La Terra non può essere però considerata come un grande magnete permanente perchè i minerali perdono il loro magnetismo a temperature superiori a 500 gradi C (temperature che abbiamo già a poche decine di km di profondità all'interno della Terra). Il solo modo per avere un campo magnetico è con circolazione di una corrente elettrica. La circolazione e la convezione di ferro fuso ed elettricamente conduttivo nel nucleo esterno produce il campo magnetico. Inoltre, tale convezione deve essere relativamente rapida (molto più rapida di quanto potrebbe esserla nel mantello plastico) e l'unico luogo dove si ha tale condizione è il nucleo esterno fluido.
Il campo magnetico deriva da movimenti instabili di fluidi nel nucleo e cambia direzione ad intervalli irregolari. Nella recente storia geologica del pianeta ci sono state inversioni del campo magnetico ogni circa 20.000 anni. Qualsiasi tipo di "strato" geologico (ad esempio flussi di lava, stratificazioni di argille) fissa e porta in sè le direzioni del campo magnetico al momento della deposizione. I geofisici possono misurare i cambiamenti di tali direzioni ed ottenere una magnetostratigrafia del deposito.
Nelle dorsali oceaniche ogni settore del fondale è stato creato in tempi differenti e registra la direzione del campo al tempo della sua deposizione. Via via che ci si allontana dal centro della dorsale troviamo settori più antichi e possiamo osservare tutte le volte che si è verificata un'inversione del campo magnetico, come se stessimo analizzando una registrazione su un nastro magnetico.
La mappa sottostante della Zolla Pacifica in differenti epoche geologiche è stata ottenuta dalla registrazione del campo magnetico.
La convezione ed il rilascio di calore dal nucleo terrestre guidano ulteriori moti convettivi nel mantello. La convezione nel mantello è il motore del movimento delle placche, dell'apertura dei fondali e del moto dei continenti. Utilizzando le fasi sismiche relative ai terremoti è possibile effettuare delle ricostruzioni tomografiche dell'interno della Terra, in modo simile a quanto avviene nella tomografia medica (ma con difficoltà maggiori in quanto non conosciamo, ad esempio, a priori la posizione dell'emettitore, ovvero la localizzazione precisa dell'ipocentro del terremoto).
Nell'immagine sopra del mantello, appiattito verso nordovest, le parti in blu mostrano le zone dove il materiale più freddo, più denso (e più veloce sismicamente parlando) penetra nel mantello. Vicino alla superficie la maggior parte del materiale più freddo rappresenta le radici di antichi continenti, i cosiddetti cratoni. Si notano anche slab di litosfera oceanica in subduzione; questi verranno riassorbiti e riciclati nel mantello nelle fosse oceaniche.
Sia in questa immagine che nella successiva, sulle facce superiori ed inferiori del parallelepipedo sono tracciati i limiti dei continenti per permettere una migliore definizione spaziale delle strutture.
Nell'immagine sopra, da sud-ovest le zone in rosso sono i "plumes" di materiale più caldo e meno denso, che risalgono principalmente dai centri di apertura medio-oceanici.
La parte di mantello al di sotto della crosta, circa 50 - 100 km al di sotto, è sensibilmente soffice e plastica, e viene chiamata astenosfera. Il mantello soprastante e la crosta sono freddi abbastanza per essere considerati elastici e sono detti litosfera.
Un carico pesante sulla crosta, come una calotta polare, grandi laghi glaciali o catene di montagne, possono flettere la litosfera finanche ai livelli astenosferici dove il materiale può fluire lateralmente. Quando per una qualsiasi causa il peso diminuirà (erosione, fine della glaciazione, ecc..) la litosfera tenderà a riprendere la forma originale. Questo processo può durare anche migliaia di anni. Il nome di tale precesso, qui molto sommariamente descritto è: equilibrio isostatico.
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