Corso di laurea: SCIENZE GEOLOGICHE - Percorso formativo BASE

Dettaglio attività formativa

FISICA TERRESTRE (00714)

Programma


Sistema Solare. (8 ore)
Tra mito e scienza: la Terra vista dai greci (Terra piatta, Terra cilindrica di Anassimandro, Filolao e il grande fuoco centrale, la sfericità della Terra da Parmenide a Aristotele, Eraclide e gli epicicli), Sistema solare di Tolomeo e di Copernico. Costante di Hubble ed età dell’Universo.
Leggi di Keplero e limiti di validità. Momento angolare e momento di inerzia. Distribuzione del momento angolare nel sistema solare. Legge di Gravitazione Universale di Newton. Prove della seconda e della terza legge di Keplero. Legge di Titius-Bode e orbite planetarie. Classificazione e caratteristiche dei Pianeti terrestri e giganti. Metodo della Parallasse.
Caratteristiche che distinguono la Terra dagli altri corpi del sistema solare.
Il Sole e fusione termonucleare. Massima e minima dimensione planetaria. Curva ipsografica. Movimenti ciclici terrestri: eccentricità orbitale, obliquità, precessione degli equinozi. Cicli di Milankovic ed effetti sulle stagioni e sul clima.
Meteoriti e composizione interna della Terra. Effetto di Poynting-Robertson. Condensazione di una massa planetaria e massa di Jeans. Stabilità del Sistema Solare.

Geocronologia. (3 ore)

Metodi radiometrici per accumulo. Struttura dell’atomo, tipi di radiazioni. Legge di decadimento radioisotopico. Tempo di dimezzamento. Spettrometro di massa. Criteri per una buona valutazione del tempo di datazione. Metodi con: C-14, Rb/Sr e isocrone.

Struttura interna della Terra. (6 ore)
Un po’ di storia. Equazione di Williamson e Adams per la densità all’interno della Terra. Profili secondo la profondità di: velocità onde sismiche P e S, moduli elastici, densità, pressione e gravità. Modello evolutivo del mantello terrestre. Variazioni di velocità sismica S e di fase mineralogica con la profondità. Parametro sismico e densità. Diagramma di Hugoniot (pressione vs. densità) nel mantello e nel nucleo. Cenni di propagazione del calore: per conduzione, convezione e irraggiamento. Flusso di calore sulla superficie terrestre. Modello di Hess di cella convettiva nel mantello. Possibili profili termici all’interno della Terra.
Suddivisione per composizione e per reologia dell’interno della Terra. Modello di progressivo ispessimento della litosfera oceanica. Confronto tra spessore elastico e sismico della litosfera in funzione dell’età di formazione. Struttura convettiva e conduttiva del mantello e andamento della temperatura con la profondità nel caso di sorgente di calore concentrata nel nucleo o diffusa nel mantello. Crosta continentale e oceanica, mantello superiore e inferiore, strato D’’, nucleo esterno e interno.

Tettonica delle placche. (4 ore)
Litosfera e astenosfera. Margini delle placche e processi relativi. Dorsali medio-oceaniche e loro profilo. Zone di subduzione e piano di Wadati-Benioff. Margini trasformi. Moto relativo tra due placche. Teorema di Eulero. Polo di Eulero. Giunzioni triple e loro stabilità. Punti caldi (Hot spots). Limiti del modello della tettonica delle placche. Forze agenti sulle placche: ridge push, slab pull, forza di attrito del mantello e altre forze. Convezione nel mantello, numero di Rayleigh e valore critico per la Terra.

Sismologia (8 ore)
Cenni di teoria dell’elasticità: sforzo, deformazione, legge di Hooke, moduli elastici, numero di Poisson e loro relazioni. Costanti di Lamè e legge di Hooke generalizzata.
Onde sismiche: P,S e superficiali (Rayleigh e Love). Equazione delle onde e soluzione. Principio di D’Alambert. Equazione eiconale. Energia di perturbazione sismica. Attenuazione delle onde sismiche. Damping anelastico. Equazione di Navier-Stokes. Sismografi. Il terremoto. Teoria del Rimbalzo elastico di H.F. Reid. Oscillazioni libere della Terra: Sferoidali e torsionali. Tsunami. Legge di Birch. Determinazione dell’Epicentro. Altri parametri sismici: magnitudo, momento sismico, relazione di Gutenberg-Richter (numero eventi/anno e magnitudo) e relazione energia-magnitudo. Scala Mercalli Modificata e intensità macrosismica. Tipi di faglie (diretta, inversa e trascorrente). Meccanismi focali. Legge di Snell e zone a bassa velocità. Ripartizione delle onde P e S ad una discontinuità. Forme d’onda e tempi di arrivo. Sismica a rifrazione.

Geomagnetismo (10 ore)
Campi fisici, scalari e vettoriali. Trattazione classica e moderna del magnetismo. Campo di dipolo magnetico. Campo dipolare terrestre. Contributi del campo magnetico terrestre (CMT). Categorie di misurazioni magnetiche. Magnetometri. Approssimazione MHD. Analisi del campo geomagnetico. Equazione di Laplace e armoniche sferiche. Significato dei primi termini armonici. IGRF. Anomalie magnetiche. Variazione secolare. Deriva Occidentale. Spettro spaziale e temporale. Periodi più brevi del CMT e conducibilità elettrica nel mantello.
Nucleo esterno della Terra. Proprietà ed esperimenti di laboratorio delle alte pressioni e temperature. Campi magnetici toroidale e poloidale. MHD e teorie dinamo. Effetti alfa e omega. Equazione dell’induzione magnetica e numero di Reynolds magnetico. Equazione del flusso di campo congelato e Tomografia geomagnetica profonda.

Paleomagnetismo (3 ore)
Proprietà magnetiche della materia. Effetto piezomagnetico. Magnetizzazione indotta e residua. Rapporto di Konigberger. Magnetizzazione naturale residua. Temperatura di Curie. Poli: magnetico, geomagnetico attuale e virtuale (VGP), paleomagnetico. Anomalie dei fondali oceanici e inversioni del CMT. Scostamento polare e deriva dei continenti. Scala temporale delle inversioni magnetiche. Interpretazione tettonica della penisola italiana.

Campo di gravità (6 ore)
Accelerazione di gravità, potenziale, Figura della Terra, sferoide di riferimento e Geoide. Potenziale gravitazionale per un corpo quasi sferico (Formula di MacCullagh). Teorema di Clairaut. Equazioni di Poisson e Laplace. Sviluppo in armoniche sferiche del potenziale di gravità. Anomalie di gravità e ondulazioni del geoide. Correzioni del campo di gravità: equazione normale, free air, Bouguer, topografica. Isostasia secondo Airy e Pratt. Gravimetri relativi e assoluti. Tipi di anomalie di g. Equazione di Poisson e relatività di Einstein.

Statistica (3 ore)
Errori sperimentali sistematici e casuali. Propagazione degli errori. Media e dispersione. Deviazione standard e varianza. Mediana e Moda. Distribuzione di Gauss. Statistica di Fisher per il paleomagnetismo. Metodo dei minimi quadrati.

Argomenti da affrontare durante la visita esterna (INGV di Roma) (9 ore)
Strumentazione e sensoristica sismica. Sala operativa sismica. Conducibilità elettrica all’interno della Terra. Tomografia sismica locale. Misurazioni geomagnetiche con magnetometro scalare e vettoriale (fluxgate). Prospezioni geofisiche in campo ambientale e archeologico.
Risultati d'apprendimento previsti (obiettivi formativi)
Il corso vuole fornire le basi per la conoscenza delle proprietà fisiche del nostro pianeta, con particolare attenzione ai modelli, alle formule ed alle equazioni che ne rappresentano meglio le caratteristiche più importanti e i processi fisici che ne esprimono la continua dinamica nel tempo e nello spazio.
Eventuali propedeuticità (prerequisiti)
Non ci sono prerequisiti formali ma si consiglia il superamento degli esami di Matematica e Fisica per poter affrontare il corso con i dovuti strumenti di conoscenza fisico-matematica.
Testi di riferimento
Dispense e note fornite dal docente e poste su internet (ftp.ingv.it/pro/terrasol)
Lowrie W. (1997) Fundamentals of Geophysics, Ed. Cambridge Univ. Press.
Stacey F.D. (1992) Physics of the Earth, Ed. J. Wiley and Sons.
Condie K.C. (2005) Earth as an Evolving Planetary System
Organizzazione della didattica
Alle lezioni teoriche si aggiunge una visita di approfondimento normalmente presso l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia con temi indicati nella parte finale del programma.
Modalità di frequenza Facoltativa
Metodi di valutazione
Altro (sede, attività di supporto alla didattica, ecc.)
L’esame consiste in una parte scritta ed una orale.