Diverse discipline studiano il pianeta Terra; come pianeta, di essa si occupa l’astronomia; la superficie terrestre e la sua interazione con le attività umane sono studiate dalla geografia; il clima e l’atmosfera sono studiati dalla meteorologia e dalla climatologia. La geologia si occupa principalmente dei materiali che la costituiscono.
La formazione della Terra è datata a circa 4 miliardi e mezzo di anni fa. La superficie esterna è suddivisa nelle placche tettoniche, formazioni rigide che slittano lungo la superficie con periodicità di diversi milioni di anni.
L’interno della Terra viene studiato con metodi di osservazione diretta, applicabili solo allo strato più superficiale, e metodi indiretti, come l’analisi delle onde sismiche e lo studio del campo gravitazionale, del campo magnetico e del calore terrestre. L’analisi delle onde sismiche è il metodo più importante perché esse forniscono informazioni circa la natura degli strati di Terra che attraversano durante la propagazione: materiali diversi hanno effetti diversi sulla direzione e sulla velocità delle onde sismiche. Dal comportamento delle onde, quindi, gli studiosi hanno dedotto che l’interno della Terra è formato da tre strati con caratteristiche diverse, che si dispongono in una struttura concentrica e sono separati da superfici di discontinuità: crosta, mantello e nucleo.
La crosta terrestre è lo strato più superficiale e sottile e si distingue in crosta continentale (che costituisce i continenti), più spessa e formata da rocce ignee acide, e crosta oceanica (che costituisce i fondali oceanici), meno spessa e formata da rocce sedimentarie e ignee basiche.
La discontinuità di Mohorovičić separa la crosta dal mantello, composto da rocce più dense, ultrabasiche, e caratterizzato da temperatura e pressione più elevate.
La discontinuità di Gutenberg separa infine il mantello dal nucleo, lo strato più interno, spesso, denso e caldo della Terra, suddiviso in nucleo esterno, liquido, e nucleo interno, solido, separati dalla discontinuità di Lehmann.
Interno della Terra (fonte: Wikimedia Commons, autore: Surachit)
Successivamente gli scienziati hanno elaborato un’altra suddivisione degli strati della Terra, basata sulla maggiore o minore rigidità di questi:
- litosfera (struttura rigida costituita dalla crosta e da parte del mantello superiore);
- astenosfera (struttura quasi plastica costituita dal restante mantello superiore);
- mesosfera (struttura rigida costituita dal mantello intermedio e inferiore).
La diversità di composizione dell’interno della Terra è stata dedotta anche dallo studio del campo gravitazionale terrestre: l’accelerazione di gravità misurata in diversi punti della superficie terrestre presenta valori diversi fra loro e rispetto al valore teorico medio di 9,81 m/sec², e questo indica la presenza di materiali di densità diversa all’interno della Terra.
La struttura di un vulcano terrestre
Ulteriori considerazioni sono state avanzate sulla temperatura dell’interno della Terra: il nostro pianeta produce al suo interno calore raggiungendo temperature molto elevate, che possono però essere misurate con certezza solo per quanto riguarda la zona più superficiale. Si è registrato quindi che all’aumentare della profondità la temperatura aumenta, secondo la misura indicata dal cosiddetto gradiente geotermico, che però a maggiori profondità non direttamente analizzabili necessariamente diminuisce: un suo aumento costante, infatti, porterebbe a valori di temperatura così alti da implicare uno stato fuso per gran parte dell’interno della Terra, che invece le onde sismiche hanno dimostrato essere in gran parte solido. La temperatura della Terra aumenta nella crosta di circa 25-30 °C/km, poi nel mantello resta praticamente costante per effetto della pressione, per poi aumentare di nuovo, raggiungendo i 6.000 °C nel centro del pianeta.
Lo studio dei materiali che compongono l’interno della Terra è stato messo in relazione, infine, con lo studio del campo magnetico terrestre, generato nel nucleo esterno, grazie al suo stato liquido che lo rende un buon conduttore, da un dipolo magnetico inclinato i cui poli non coincidono con quelli geografici, e che viene autoalimentato dai movimenti all’interno del nucleo stesso (autoeccitazione). Lo studio di alcune rocce in diversi punti della Terra e sui fondali oceanici ha permesso la scoperta delle inversioni di polarità subite periodicamente dal campo magnetico terrestre nel passato, “registrate” dall’orientamento dei minerali magnetici presenti in alcuni materiali e indagate dal paleomagnetismo.
Grazie ai vulcani e alle dorsali oceaniche, materiale proveniente dall’astenosfera arriva continuamente in superficie, non conservando però la composizione originale in quanto soggetto a cristallizzazione frazionata.
Il 90% della Terra è costituito principalmente da ferro e ossigeno (entrambi in percentuale attorno al 30%; l’ossigeno è presente soprattutto negli ossidi), da silicio e magnesio (entrambi con percentuale attorno al 15%).
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