IL FLUSSO DI CALORETERRESTRE

La Terra si è formata circa 4,6 miliardi di anni fa, e qualsiasi forma di calore residuo sarebbe stata dissipata parecchi milioni di anni fa. Eppure la temperatura della Terra cresce man mano che si scende in profondità. Questo aumento di temperatura è variabile a seconda del contesto geologico e strutturale. 

L’interno della Terra è così molto più caldo della sua superficie. All’interno della Terra (nel nucleo) si suppone debba esistere una temperatura paragonabile a quella della superficie del Sole (da 4.000‐6.000 °C). 

La Terra perde continuamente calore che viene disperso nello spazio. Poichè la Terra dissipa del calore verso lo spazio, e dopo miliardi di anni non si è ancora raffreddata, significa che deve esistere una fonte di calore nel suo interno. Lacausa principale non fu chiara prima della scoperta, alla fine del XIX secolo, del fenomeno della radioattività da parte dei fisici Bequerel e Curie.

Oggi sappiamo che il calore dell’interno della Terra (ci riferiamo in genere al mantello superiore o astenosfera, da cui i vulcani attingono materiale) viene continuamente prodotto dal decadimento radioattivo degli elementi, come uranio, torio, rubidio, ecc., presenti nelle rocce del mantello e della crosta terrestre. 

IL CALORE TERRESTRE

IL GRADIENTE GEOTERMICOLa dimostrazione che esiste una energia termica all’interno della terra è ormai un fatto certo e ben 

conosciuto. Vulcani, sorgenti termali, soffioni e gayser documentano bene la presenza di un calore interno alla Terra che fluisce verso l'esterno.

Si chiama gradiente geotermico l’aumento della temperatura con la profondità e non è un valore fisso, nel senso che parti diverse dell’interno terrestre possono avere diverso gradiente geotermico; in media ilgradiente è circa 1°C ogni 33 metri (3 gradi ogni 100 m) di profondità, all’interno della litosfera e dell’astenosfera, ma può variare notevolmente come vicino alle dorsali dove si può arrivare a valori di 3‐4 gradi ogni 33 metri. 

Queste variazioni della temperatura interna della Terra vengono chiamate gradienti geotermici anomali, e sono quelli che consentono lo sfruttamento dell’energia geotermica.

Dato che con il decadimento la quantità degli isotopi radiogenici diminuisce si deduce che al momento della formazione della crosta terrestre il flusso di calore doveva essere notevolmente maggiore. E così pure la velocità e intensità dei processi geodinamici.

IL GRADIENTE GEOTERMICO

Se si mantenesse il gradiente di 33° al Km, l’interno della Terra sarebbe tutto allo stato fuso

~33°C/km

~1°C/km

IL FLUSSO DI CALOREIl nostro pianeta diffonde calore che, dal nucleo e dal mantello, si trasferisce alla crosta terrestre e 

all’atmosfera (anche se il calore che assume l’atmosfera da questi processi è molto minore di quello che èfornito dal Sole). 

Il flusso di calore si misura in Watt/m2

In media, il flusso di calore per la crosta terrestre è pari a pari a 0,075 Watt/m2: in un prato di 1000 m2, il calore generato dall’intera superficie sarebbe pari a 75W, utile solo per alimentare una lampadina da 75 W. E’ evidente che, in media, l’energia geotermica non è sfruttabile dall’uomo.

Il flusso che registriamo in superfice è la conseguenza del fatto che per ristabilire l’equilibrio termico in una roccia il calore, che è energia, si sposta da zone ad alta temperatura a quelle a bassa temperatura in vari modi: i principali sono la conduzione e la convezione. 

L’energia termica in un solido esiste in quanto si verifica la vibrazione degli atomi: l’intensità di tali vibrazioni determina la temperatura. Il calore si trasmette per conduzione quando gli atomi e le molecole soggetti ad agitazione termica si urtano reciprocamente, trasmettendo così un moto vibratorio da una zona calda ad una fredda.

La quantità di calore che si trasferisce nell’unità di tempo fra due punti di una sostanza è proporzionale alla differenza di temperatura fra i due punti e alla conducibilità termica, che varia da sostanza a sostanza.

Le rocce sono cattivi conduttori di calore: ad esempio, una colata di lava dello spessore di 50 metri impiega a raffreddarsi circa 150 anni.

LA CONVEZIONEUn altro modo per permettere al calore di salire in 

superficie è la convezione, meccanismo tipico deifluidi (liquidi e gas). 

Questo processo, molto efficace nella distribuzione del calore, dipende dal fatto che se riscaldiamo un fluido, questo si espande diventando meno denso, cioè più leggero, rispetto al materiale circostante.

Il fluido tende quindi a salire, mentre il materiale più freddo tende a scendere: si instaura così un circolo che prende il nome di cella convettiva. 

La stessa cosa accade se riscaldiamo una pentola piena di acqua: l’acqua che si trova direttamente sopra la fiamma si riscalderà prima e tenderà a risalire verso l’alto lasciando così il posto all’acqua più fredda, e quindi più pesante, che tenderà a scendere.  

IL MECCANISMO DELLA CONVEZIONEALLA SCALA DELLE PLACCHE LITOSFERICHE

SORGENTI DI CALORE NELLA CROSTA TERRESTRE

I magmi basaltici si trovano a temperature  >1150°C.A 10 km di profondità la temperatura sarebbe 250°C, per cui accanto ad una intrusione magmatica verrebbe prodotta una differenza di 900° fra magma e rocce circostanti, che viene dissipata creando un flusso di calore anomalo verso la superficie (Larderello).

Un altro, importante meccanismo di flusso di calore è rappresentato dai magni nella crosta terrestre che, consolidando, cedono la stessa qualità di calore assorbita in precedenza durante i processi di fusione dei minerali silicatici che presiedono alla formazione dei magmi stessi. 

IL FLUSSO DI CALORE A LIVELLO GLOBALE

I valori più alti sono presenti lungo le dorsali medio oceaniche, soprattutto quelle a maggiore attività e velocità di espansione (dorsale Est Pacifica, dorsale a SE dell’Australia). Si osserva che i valori più bassi del flusso di calore sono presenti nelle zone più interne e più antiche 

all’interno delle placche litosferiche. Valori bassi del flusso di calore sono verificabili anche lungo fosse oceaniche, mentre il valore si alza in 

prossimità degli archi vulcanici ad esse associati

DIFFERENZA NEI VALORI DEL FLUSSO DI CALORE FRA DORSALI E FOSSE DI SUBDUZIONE

Il meccanismo della convezione agisce dal nucleo esterno al mantello, fino alla base della litosfera.

Il meccanismo della conduzione agisce alla scala della sola litosfera

Le dorsali sono zone dove il calore viene portato in superficie dalle celle convettive.

In prossimità delle fosse di subduzione la placca ormai raffreddata si immerge nel mantello, trascinata dalla corrente convettiva discendente.

PUNTI CALDI (HOT SPOTS): ZONE AD ALTO  FLUSSO DI CALORE INTERNE ALLE PLACCHE LITOSFERICHE

IL PIU’ ATTIVO PUNTO CALDO DEL GLOBO:ISOLE HAWAII

Il meccanismo di formazione dell’arcipelago delle Isole Hawaii, per scorrimento della placca Pacifica sopra un punto caldo fisso, posto sotto la base della litosfera

IL VULCANO KILAUEA, ESPRESSIONE ATTUALE DEL PUNTO CALDO

La caldera del Vulcano Kilauea (Isola di Hawaii), il vulcano più attivo del Pianeta

IL PUNTO CALDO CONTINENTALE DI YELLOWSTONE

Il punto caldo di Yellowstone è alimentato da un’enorme camera magmatica situata pochi Km sotto la superficie, dalla quale viene trasmesso calore che alimenta fenomeni idrotermali

L’ENERGIA GEOTERMICALo sfruttamento del calore della Terra per scopi energetici è iniziato a Larderello molti anni fa,

dove il vapore veniva a giorno naturalmente in getti, detti soffioni.

Per potere usare il calore come fonte di energia, è necessaria la presenza dell’acqua sotterranea di origine meteorica che, scendendo in profondità nella crosta terrestre, si riscalda e passa alla fase vapore. 

Quando l’acqua mista a vapore ritorna in superficie, crea fenomeni naturali come le fumarole, i geysers, le sorgenti termali.

I  GEYSER

I  GEYSER

Quando l’acqua meteorica, penetrando nel sottosuolo e formando una falda freatica all’interno di uno strato di roccia porosa, viene riscaldata, comincia a risalire. 

In seguito l’acqua può fermarsi in un serbatoio sotterraneo, e quando il calore dal basso si accumula, comincia a bollire e a formare vapore.

Quando l’incremento della pressione è in grado di superare la pressione di carico e di lanciare un getto di acqua surriscaldata e vapore al di sopra della superficie topografica.

Quando tutta l’acqua è stata espulsa dal serbatoio, il processo di ricarica ricomincia ad intervalli regolari (come nel caso del geyser “Old Faithful”, nel Parco di Yellowstone, che si riattiva ogni 65 minuti).

LE SORGENTI  CALDELe sorgenti calde sono manifestazioni molto diffuse in aree come il Parco di Yellowstone, dove il calore magmatico proveniente dal profondo riscalda l’acqua di falda che poi, attraverso una rete di fratture, si apre la strada verso l’alto fino a raggiungere la superficie. 

Risalendo verso l’alto, l’acqua surriscaldata mette in soluzione minerali silicatici e poi li depone in prossimità della superficie, formando rocce come le geyseriti

FUMAROLE E FANGHI BOLLENTI

Fumarole e fanghi bollenti a Yellowstone, Wyoming, USA

I SISTEMI GEOTERMICI IDROTERMALIUn sistema geotermico

idrotermale è formato da tre elementi: la sorgente di calore, il serbatoio ed il fluido, che è il mezzo che trasporta il calore. 

La sorgente di calore può essere una intrusione magmatica a temperatura molto alta (900°C), che si èposizionata a profonditàrelativamente piccola (5‐10 km). Il serbatoio è un complesso di rocce calde permeabili nel quale i fluidi possono circolare assorbendo il calore. 

Il fluido è dato dalle acque fredde meteoriche che si riscaldano per ad opera del flusso di calore (conduzione)

Il serbatoio generalmente è ricoperto da rocce impermeabili e connesso a zone di ricarica superficiali tramite le quali le acque meteoriche possono sostituire le acque surriscaldate che risalgono verso l’alto in modo naturale (sorgenti, geyser, etc.) o che sono estratte mediante pozzi geotermici

L’ESPRESSIONE DEL CALORE TERRESTRE: I VULCANI

Fontana di lava ‐ Arenal, Costa Rica

IL VULCANISMO

Il motore del dinamismo terrestre è alimentato dal calore interno della Terra e si manifesta essenzialmente attraverso gli spostamenti reciproci delle numerose placche in cui si articola la litosfera terrestre. 

La mobilità delle placche litosferiche è facilitata dallo stato duttile in cui si trova la sottostante e più calda astenosfera.

Le rocce di quest’ultima si trovano a temperature elevatissime, anche superiori ai 1000°C, e sarebbero pressochétotalmente fuse se le enormi pressioni esistenti a quelle profondità (in media tra 100 e 250 Km) non ne ostacolassero la fusione. 

L’espressione più evidente del calore interno alla Terra è data dal vulcanismo, fenomeno naturale oggi assente nei pianeti e nei satelliti geologicamente estinti, quali la Luna

I vulcani a scudo sono costituiti dall’accumulo di colate laviche a composizione basaltica. L’edificio che ne deriva ha una forma convessa verso l’alto ed ha base circolare o ellittica in pianta. Nei vulcani a scudo l’altezza dell'edificio è mediamente pari a 1/20 del diametro di base. 

I VULCANI A SCUDO

GLI STRATOVULCANI

Gli stratovulcani sono edifici formati dall'accumulo di colate laviche e prodotti piroclastici intercalati, emessi nel corso di ripetute eruzioni che si verificano in corrispondenza del medesimo centro eruttivo. Gli stratovulcani sono caratterizzati dalla presenza di un cratere sommitale che, nel corso di eruzioni fortemente esplosive, può essere significativamente allargato a formare una caldera. 

LE CALDERE

Crater Lake, Oregon

LE ERUZIONI VULCANICHE EFFUSIVE

Esempio di attività hawaiiana particolarmente intensa: fontana di lava (alta 400 m), emessa durante l’attuale eruzione del vulcano Kilauea.

LE ERUZIONI VULCANICHE EFFUSIVE

Colate di lava pahoehoe e a corde

LE ERUZIONI VULCANICHE EFFUSIVE

Esempio di colata di tipo “aa”

LE ERUZIONI VULCANICHE ESPLOSIVE

Nelle eruzioni pliniane, dal vulcano si eleva una colonna incandescente di gas e ceneri con dispersi brandelli lavici e frammenti rocciosi che sale di diverse decine di chilometri a causa della minore densitàrispetto all'atmosfera ed in alcuni casi può raggiungere la stratosfera. La parte superiore della colonna si allarga quindi a forma di ombrello, da cui cade una fitta pioggia di ceneri, lapilli e pomici. 

Mt. St.Helens, maggio 1980

LE ERUZIONI VULCANICHE ESPLOSIVE

Prima di risalire a formare l’ombrello, la porzione più densa della colonna può collassare a formare una colata di gas, brandelli lavici e polveri che discende caldissima, con temperature anche superiori ai 600° ed a grande velocità dai fianchi del vulcano con potenza distruttiva; essa può percorrere distanze di oltre cento chilometri prima di arrestarsi e consolidarsi.