I gradienti e la dinamica della Terra

La Terra è un pianeta dinamico perché è dotata di gradienti che ne controllano i fenomeni fisici e chimici, regolando i processi della Terra fluida (atmosfera, oceani) e della Terra solida (crosta, mantello). Ma qual è la natura dei gradienti che governano il nostro pianeta?

di Carlo Doglioni
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Un gradiente indica una variazione di un qualsiasi parametro fisico o chimico. Più gradienti di parametri che agiscono insieme con tempi e tassi diversi determinano comportamenti non lineari, sistemi caotici, anche auto-organizzati che possono evolvere in comportamenti collettivi catastrofici. 

Un gradiente genera energia, produce o è l’espressione di una differenza.

I fiumi scorrono a valle perché c’è sempre un gradiente topografico e quindi gravitazionale: la gravità non smette mai di funzionare. Le perturbazioni atmosferiche determinano forti piogge, che a loro volta abbassano la frizione nel suolo e nelle rocce, provocando frane: è un susseguirsi di gradienti che modellano la superficie terrestre. I vulcani eruttano perché all’interno delle camere magmatiche, dove si accumula la lava che fonde anche le rocce incassanti, si creano dei gradienti di pressione tali da sfondare la crosta terrestre sovrastante.

I gradienti della Terra

La litosfera è il guscio esterno della Terra con uno spessore medio di circa 100 km (variabile tra 30 e 250 km) ed è costituita dalla crosta terrestre e dal mantello litosferico.

La crosta rappresenta il differenziato chimico più leggero della Terra e può essere continentale o oceanica, con spessori medi di 30-40 km e 3-10 km, rispettivamente. La crosta ha un gradiente termico medio di circa 30 °C/km nei primi 10 km, poi scende a 15 °C/km e a 8 °C/km nella crosta superiore e inferiore. La Moho è il limite tra crosta e mantello e ha una temperatura stimata tra 450 °C e 700 °C.

La litosfera ha alla sua base una temperatura di circa 1300 °C e poggia sull’astenosfera (sfera debole). L’astenosfera va da circa 100 a 410 km di profondità e tra 100 e 180 km è caratterizzata da un relativo abbassamento della velocità delle onde sismiche. Per questo motivo tale livello è chiamato canale a bassa velocità (in inglese “low-velocity zone”, LVZ). Nel sottostante mantello, fino a 2890 km, il gradiente termico medio è inferiore a 1°C/km.

Al centro della Terra la temperatura T massima stimata è di circa 6000 °C. 

La litosfera è rotta in frammenti, le cosiddette placche, che, trovandosi su una sfera, sono delle calotte che si muovono l’una rispetto all’altra. 

Da dove viene la forza che genera la tettonica delle placche, cioè la dinamica dei frammenti di litosfera che si muovono l’uno rispetto all’altro? 

L’energia è in genere interpretata come la dissipazione della convezione mantellica, dovuta al gradiente di temperatura tra la parte superficiale della Terra e la base del mantello terrestre. L’astenosfera presenta un abbassamento della viscosità che permette alla litosfera di ‘scivolare’ sull’astenosfera. Quindi la litosfera è leggermente disaccoppiata rispetto al mantello sottostante, riuscendo a muoversi di alcuni centimetri l’anno. Questo movimento è polarizzato verso ovest, o meglio lungo un flusso esemplificato dall’equatore tettonico che è un cerchio massimo formante un angolo di circa 30° con l’equatore geografico .

La tettonica delle placche

Possiamo quindi definire una placca come un frammento di litosfera caratterizzato da una velocità propria, diversa da quella degli elementi litosferici attigui. 

Perché c’è differenza di velocità tra le placche?

Una spiegazione semplice è che nel canale a bassa velocità vi siano delle variazioni di viscosità che vincolano il grado di disaccoppiamento tra la singola placca e il mantello. 

Gradienti laterali di viscosità sul piano di scollamento controllano cioè i gradienti di velocità tra le placche e, quindi, la sismicità, che è dovuta a gradienti di pressione che si sviluppano ai margini tra le placche, siano esse in avvicinamento, allontanamento o scorrimento laterale. 

La placca più veloce al mondo è quella Pacifica che si muove verso ovest nord-ovest rispetto al mantello di oltre 10 cm (forse 20 cm) all’anno. E’ la placca che ha al di sotto un canale a bassa velocità con la minore viscosità conosciuta (1017 Pa × s), a riprova che la velocità delle placche rispetto al mantello e, quindi, anche tra loro stesse, sia funzione dei gradienti di viscosità alla loro base.

Un fattore fondamentale nel controllo della tettonica delle placche è, dunque, l’influenza delle variazioni laterali di spessore, densità e composizione sia nella litosfera sia nel mantello astenosferico. Se vi fosse uno scollamento relativo globale uniforme tra litosfera e mantello, allora la litosfera si comporterebbe come un guscio unico, coerente e senza velocità relative interne: non ci sarebbe, cioè, tettonica delle placche. 

Questa è forse anche la situazione di altri pianeti, dove probabilmente la litosfera continentale si è accresciuta fino a ricoprire l’intero globo, cosa che lentamente sta avvenendo anche sulla Terra. Con una litosfera continentale spessa e uniforme di 150-200 km che coprisse l’intero pianeta, non ci sarebbe tettonica delle placche, perché essendoci una condizione di equilibrio non ci sarebbe la possibilità di comprimere o di distendere la litosfera. È forse anche questa una delle ragioni del perché non esiste la tettonica delle placche, così come la conosciamo noi, su altri pianeti. 

Invece, la presenza limitata di litosfera continentale sulla superficie terrestre e il contrasto con quella oceanica più sottile e più densa, inducono l’instaurarsi di velocità differenziali e, quindi, di movimenti relativi tra elementi di litosfera. Questo perché ognuno di essi è caratterizzato… L’ARTICOLO CONTINUA QUI