Ma lo sai su che pianeta vivi? La nascita della sismologia moderna e l'Inferno di Dante Alighieri

Le viscere della Terra, la geologia, l’Inferno. La decima puntata del viaggio di MeteoWeb attraverso la Divina Commedia di Dante Alighieri, ci porta a toccare uno dei temi più cari a noi e a chi ci ha guidato in questa avventura, il sismologo prof. Giuliano Panza e la prof. Rita Zoccoli. Sappiamo su che pianeta viviamo?

Ecco di seguito la decima puntata:

CANTO IV LA DISCESA

E’ la sera del Venerdì Santo e Venere risplende. Dante segue Virgilio nella sua ricerca di riscatto dall’errore. La Ragione soltanto lo guida. La discesa inizia.

“Or discendiam qua giù nel cieco mondo”
cominciò il poeta tutto smorto:
“io sarò primo, e tu sarai secondo.”
Inferno, IV, 13-15

Nelle profondità

Lo studio della geologia era una disciplina che si addiceva alle
menti pigre, proprio come se fosse la Storia.
L’educazione di Henry Adams

Gli Antichi pensavano alla Terra come ad una roccia gigantesca perforata da caverne, gallerie e venti, metafora delle viscere della Terra. I Moderni hanno scoperto la crosta, il mantello ed il nucleo. La più semplice visione moderna della formazione della Terra prevede una sfera incandescente, che trasudò la crosta leggera, formando, all’interno, il nucleo denso. Tre quarti della massa della Terra è mantello, cioè il substrato roccioso sottostante la crosta che si estende fino al nucleo metallico. Le placche di superficie scorrono qua e là sulla parte superiore del mantello o sono trascinate dal mantello stesso. Le rocce del mantello sono in condizioni di pressione e temperatura estreme e si deformano plasticamente, come si dice facciano le vetrate delle antiche cattedrali. Alcuni pensano che il mantello abbia una stratigrafia, come si può osservare nelle rocce sedimentarie in una trincea stradale o nel Gran Canyon. Altri vedono un fluido omogeneo che scorre, che circola dal nucleo alla crosta; come il contenuto di una pentola su un fornello che mescola se stesso.
La geologia è una scienza di superficie, la dermatologia delle scienze della Terra. Montagne, vulcani, canyons e strati sono gli elementi osservabili. La Terra in espansione, la Terra in contrazione, una Terra statica e deriva dei continenti sono state le principali storie ‘proprio così’, usate per spiegare i corrugamenti. Non si poteva vedere dentro la Terra ed osservare che cosa sorreggesse le montagne o che cosa facesse muovere i continenti. Non si poteva vedere da dove provenivano le rocce fuse che sgorgano dai vulcani. Per la prima volta, ora possiamo guardare dentro la Terra. Ma siamo intrappolati dai nostri miti e dalle nostre metafore, dalla nostra semantica e dai nostri dogmi. Come i cavernicoli di Platone, preferiamo le ombre.

La sismologia della Terra profonda iniziò nella primavera del 1889, quando il barone Ernst Von Rebeur-Paschwitz, un astrofisico tedesco, rilevò movimenti della terra a Potsdam, provocati da un forte terremoto in Giappone. Propose allora una rete globale di stazioni sismiche, che, un anno dopo la sua morte, cominciarono ad essere realizzate dal geologo e ingegnere inglese John Milne. Le reti sismiche globali sono l’equivalente sismologico dei grandi telescopi degli astronomi. Una seria mappatura dell’interno della Terra cominciò ad essere attuata attorno alla fine del secolo. La scienza della Terra profonda è un prodotto del XX secolo ed alcuni affermano che sia quasi completa, fatta eccezione per alcuni dettagli … e per le ciance.

Geologia, tettonica delle placche e vulcani possono essere considerati solo pelle profonda. Oppure possono essere la manifestazione superficiale dei processi profondi della Terra. Le immagini dell’interno della Terra, fornite dalla tomografia sismica, avrebbero dovuto risolvere il problema, ma in realtà hanno dato solo sostegno morale ad entrambi gli schieramenti.

La moderna scienza della Terra profonda è iniziata nel 1920. I fondatori della sismologia moderna, Beno Gutenberg e Harold Jeffreys, sono stati i primi a darci visioni dettagliate delle parti più profonde del nostro pianeta.

L’australiano Keith Bullen ha denominato le varie suddivisioni interne della Terra: A (crosta), B, C, D (mantello inferiore), E (nucleo esterno), F e G (nucleo interno). Il suo modello concettuale era molto simile a quello di Dante. Bullen, in un secondo momento, ha deciso che lo strato D era in realtà suddiviso in due strati, che chiamò D’e D”. Quest’ultimo è il sottile strato alla base del mantello, appena sopra il nucleo. E’ l’unica regione del mantello che conserva ancora, come designazione, la lettera di Bullen. Giovani sismologi menzionano il D”??ma non hanno mai sentito parlare di A, B o C e non conoscono l’origine del nome che usano! In realtà D” è l’equivalente della città di Dite di Dante, vale a dire il confine tra l’Alto-Inferno ed il Basso-Inferno; la regione che Iride visitò millenni prima.

Bullen ha collocato il confine tra regione C e D (mantello inferiore) a 1000 chilometri di profondità. Nei modelli sismici di Gutenberg e Jeffreys le velocità sismiche aumentano in modo relativamente rapido, ma senza discontinuità tra 400 e 1000 km, in questa regione conosciuta come regione C o regione di transizione. Ricercatori del Caltech hanno scoperto poi che questa regione conteneva due grandi salti di velocità sismica, le discontinuità. Sembra che le lastre attraversino tali discontinuità e possano fermarsi alla sommità del mantello inferiore.

Secondo la scuola del bollitore, relativa alla convezione del mantello, D” è la parte più importante della Terra. Questo è il luogo in cui getti caldi e stretti di mantello si originano e puntano alla superficie. Il nucleo è la stufa.

Tale scuola non tiene conto della radioattività del mantello (l’effetto forno a microonde), del raffreddamento della Terra (l’effetto Kelvin), del riscaldamento radioattivo (l’errore di Kelvin) e della tettonica delle placche, che generano diverse forme di convezione. Le opinioni contrastanti su ciò che è più importante, formano la base di uno dei dibattiti oggi più accesi della scienza della Terra. Una Terra a strati si raffredda molto lentamente. Una Terra a strati è una Terra calda. Una Terra primordiale è una Terra fredda.

La sommità del mantello inferiore, che si trova a 1000 km di profondità, ora sembra essere una barriera importante alla convezione del mantello. Il mantello può essere visto come un doppio o triplo bollitore posto all’interno di un forno a microonde. Alla fine la Terra sarà fredda dentro, ma non lo è ancora. L’Inferno rimane ancora la metafora più appropriata, poiché la Terra Primordiale era ancora più calda di quella attuale.

Beno Gutenberg, il padre della sismologia osservazionale, raccolse i sismogrammi dei terremoti registrati dalle stazioni sismiche distribuite in tutto il mondo ed individuò la maggior parte delle numerose fasi sismiche che rimbalzano all’interno della Terra. Determinò la lunghezza del raggio del nucleo, la cui misura è stata solo lievemente modificata in questi ultimi 50 anni. Fu discepolo di Alfred Wegener e scrisse di meteorologia, deriva dei continenti e sismologia. Gutenberg ha scoperto la zona di bassa velocità nel mantello superiore. Questa zona fa parte dell’astenosfera, ovvero dello strato debole, e della magmasfera. I continenti si muovono e le placche scorrono su questo strato debole. I magmi sono drenati verso l’alto e contestualmente lubrificano lo scorrimento delle placche. I vulcani traggono i loro fluidi da questo strato superficiale.

Tutti i modelli interni della Terra, ai tempi di Gutenberg e Jeffreys, erano semplici, come mele, e la maggior parte di essi presentava velocità sismiche in graduale aumento con la profondità, come previsto dagli effetti della pressione che spinge all’aggregazione degli atomi. La densità e la velocità delle onde sismiche generalmente aumentano con l’aumentare della profondità. La temperatura inverte questo effetto. L’alta temperatura infatti espande un solido, rendendolo più facilmente comprimibile, il che rallenta le onde sismiche. Jeffreys pensava che le velocità sismiche aumentassero costantemente e non credeva che i continenti andassero alla deriva solcando il duro mantello. Gutenberg sosteneva la tesi opposta su entrambe le questioni. Gutenberg era un osservazionista, Jeffreys era un matematico e un fisico. Erano entrambi grandi geofisici, ma non erano d’accordo. Sia Jeffreys che Gutenberg avevano formulato modelli dettagliati per l’interno della Terra già circa un secolo fa. I nostri modelli attuali della Terra, la nostra visione dell’interno della Terra sono rifiniture secondarie dei loro modelli.

Le principali variazioni introdotte sono la presenza di discontinuità – improvvise mutamenti di densità – nel mantello, anziché una uniforme struttura continua, la presenza di anisotropia in varie zone e una migliore definizione delle variazioni laterali. Un modello di Terra con struttura priva di discontinuità può essere paragonato ad uno scivolo o a un tunnel che penetra verso l’interno. Invece, i modelli attuali dell’interno della Terra possono essere paragonati a scale che scendono in profondità con una serie di gradini, chiamati discontinuità, rivelate dalle onde sismiche. Quando Alice è caduta nel buco che arriva fino al centro della Terra, non sarà sempre caduta alla stessa velocità o con la stessa accelerazione. In un pianeta con strati e discontinuità l’andamento è a scatti. Anche l’andamento delle onde sismiche verso l’interno è a scatti, perché esse accelerano, attraversando la maggior parte delle discontinuità, mentre rallentano quando raggiungono il nucleo liquido. Anisotropia è una parola complicata che deriva dal Greco antico: (anisos) disuguale (tropé) direzione – cioè non lo stesso in tutte le direzioni. Proprio come quando, guidando in città, risulta più rapido andare in alcune direzioni piuttosto che in altre, allo stesso modo un’onda sismica viaggia più velocemente in alcune direzioni piuttosto che in altre. I cristalli flettono le onde luminose e brillano più del vetro, in parte perché sono anisotropi.

Nel modello di Gutenberg, la Regione B si estende dalla Moho (transizione crosta-mantello) fino a 220 km di profondità, dove è situata la discontinuità di Lehman, dal nome della scienziata Inge Lehman, scopritrice peraltro del nucleo interno, la Regione G. La Regione B contiene il coperchio (lid), la litosfera, lo strato a bassa velocità e l’astenosfera.

Jeffreys, di Cambridge (U.K.), e Keith Bullen, di Sydney (Australia), erano colleghi ed entrambi contestarono la presenza della zona a bassa velocità di Gutenberg, che alcuni chiamavano lo strato morbido o astenosfera. Jeffreys era un teorico, uno statistico e un fisico. Gutenberg analizzò migliaia di registrazioni sismiche di centinaia di terremoti e conosceva a fondo la qualità dei suoi dati. Una zona a bassa velocità è una caratteristica difficile da rilevare; deve essere sbrogliata dalla matassa dei dati. La prova principale di tale caratteristica è legata all’ampiezza delle onde sismiche. Jeffreys e Bullen, un altro matematico, hanno applicato metodi statistici ai tempi di percorrenza (dromocrone) delle onde sismiche generate dai terremoti, ma hanno ignorato le loro ampiezze. Gutenberg ha studiato mele; Jeffreys e Bullen hanno analizzato arance.

Lo strato morbido è la regione più importante della Terra per capire i vulcani. E’ la regione da dove proviene il magma. L’astenosfera è riscaldata dal basso – tutta la Terra è il fornello – ed è raffreddata da sopra – da piccoli continenti e lastre. I grandi continenti isolano l’astenosfera e ogni 200 milioni di anni circa si forma un supercontinente, il quale intrappola nell’astenosfera il calore che si sprigiona successivamente. I supercontinenti si autodistruggono.

* * *

Alcuni basalti e alcune rocce idrate fondono a temperature relativamente basse, alle temperature che sono presenti immediatamente sotto il guscio. Le rocce che fondono, si espandono e rompono il guscio o risalgono attraverso le fessure. Le rocce contenenti magma spiegano l’esistenza della zona a bassa velocità di Gutenberg e dell’astenosfera debole. Questo è il modo più sobrio per spiegare i vulcani, anche quelli denominati punti caldi.

Terra – Un Pianeta Molto Caldo

“Ma non è forse noto che il calore aumenta di un grado per ogni
venti metri di profondità nella Terra? – cosa questa che rende
l’idea del calore del centro.”
“Basta … quando la scienza ha mandato avanti il suo fiat, c’è solo
da ascoltare ed obbedire.”
“Un uomo che ha deciso di intraprendere un viaggio verso
l’interno della Terra, non è l’uomo che contratta su un paio di
miserabili dollari d’argento.”
Jules Verne
Viaggio al Centro della Terra

Il nome Inferno esprime l’opinione di Dante sulle temperature all’interno della Terra. Le temperature attuali del profondo interno della Terra sono più controverse ora di quanto non lo fossero ai tempi di Dante e di Jules Verne. Il problema è se la parte superiore del mantello è al di sopra o al di sotto del punto di fusione. Questo dipende da un fatto: se le rocce del mantello sono anidre o idrate. Un po’ di umidità riduce notevolmente la temperatura di fusione di una roccia. Secondo le misurazioni geofisiche, il mantello, fino a circa 200 km di profondità, contiene quasi ovunque una minima quantità di fusi. La domanda è: la fusione si verifica quasi ovunque oppure solo sotto i vulcani? Per fare un vulcano abbiamo bisogno solo di allungare o spaccare la placca, oppure abbiamo invece bisogno di introdurre una fiamma ossidrica? Nella prima ipotesi si presume che la fusione sotto la placca, ovvero il guscio esterno freddo, richieda l’apporto di calore profondo. L’ipotesi del mantello primordiale presuppone, però, una origine fredda per la Terra. L’ipotesi alternativa, quella del pennacchio, prevede l’esistenza di un mantello freddo, eccetto dove getti stretti, provenienti dalla parte superiore del fornello (il nucleo), lo penetrano, esattamente sotto ogni vulcano.

Lord Kelvin immaginava che tutto il calore che fluiva attraverso la superficie terrestre fosse dovuto al raffreddamento della Terra. La Terra si raffredda, perché la sua superficie irradia energia nello spazio esterno. In realtà, circa la metà del flusso di calore proveniente dall’interno della Terra deriva dal decadimento di elementi radioattivi. La maggior parte della radioattività è nella crosta e dà il suo piccolo contributo per rallentare il raffreddamento della Terra. La presenza di continenti, inoltre, rallenta il raffreddamento per conduzione. I continenti sono come coperte, ma coperte riscaldate radioattivamente. Anche la stratificazione chimica nella Terra rallenta il processo di raffreddamento, come l’azione di vetrate a triplo-vetro. L’ acqua calda contenuta in una pentola metallica si raffredda rapidamente, quella contenuta in un thermos si raffredda lentamente. La Terra è un thermos ben isolato.

La ‘cintura di fuoco’, termine estremamente evocativo-descrittivo per i vulcani attorno al Pacifico, dovrebbe in realtà essere ‘un anello di freddo’, per il fatto che si trova dove la placca litosferica fredda si immerge nel mantello, acquisendo il nome di lastra. I numerosi vulcani sono il risultato dell’acqua che viene introdotta nel mantello dalla subduzione di lastre, abbassandone il punto di fusione. Giordano Bruno aveva, in parte, ragione!(1) Dorothy scoprì che le streghe malvage si sciolgono facilmente, gettando loro addosso un secchio d’acqua(2). I vulcani indicano anche lo stato di sollecitazione cui è sottoposta la placca, la quale, appena si curva o è messa in tensione, si rompe e il magma sale attraverso le spaccature. La maggior parte dei più grandi terremoti del mondo è situata in questi luoghi, caratterizzati proprio dalla rottura della litosfera, altro nome per indicare il robusto guscio esterno. Acqua, spaccature e sollecitazioni (ténsili) contribuiscono tutte al vulcanismo intorno alla ‘cintura di fuoco’.

Le parti più calde del mantello superiore sono al di sopra del punto di fusione. Allora, perché i vulcani non sono dappertutto? La litosfera agisce come un coperchio o una cupola sulla pentola-mantello. Quando è robusta, integra o sotto compressione, riesce a contenere il magma. La maggior parte dei vulcani si trovano lungo le fratture preesistenti o su punti deboli. Pochi, pochissimi, si trovano su nuove spaccature.

Il mantello, al di sotto della profondità di circa 300 chilometri, ha una temperatura inferiore rispetto a quella del punto di fusione, perché la pressione aumenta la temperatura del punto di fusione. Il mantello diventa più caldo con la profondità, ma la temperatura del punto di fusione aumenta ancora più velocemente.

Il nucleo esterno è liquido, nonostante l’alta pressione, perché il ferro ha un punto di fusione molto più basso di quello delle rocce. Ma andando più in profondità nel nucleo, a pressione più elevata, la temperatura del punto di fusione continua ad aumentare. Questo è il motivo per cui il nucleo interno è solido, perché è sottoposto ad alta pressione, non perché è a bassa temperatura. Nel mondo di Dante il nucleo della Terra è la parte più profonda del Basso Inferno e il nucleo interno dell’Inferno è Satana, conficcato in un gelido blocco di ghiaccio.

Ma lo sai su che pianeta vivi?

Gli sembrò di vedere un Ragionamento
Comprovante che lui era il Papa:
Guardò ancora e scoprì che era
Una Saponetta screziata.
Lewis Carroll
Sylvie e Bruno

Gli scienziati della Terra sono in una posizione di grave svantaggio, perché, per quanto ne sappiamo, c’è solo una Terra e non siamo in grado di sezionarla, per osservarla all’interno. Biologi, fisici ed astronomi hanno a disposizione miliardi e miliardi di cellule, particelle, stelle o quant’altro. Questo permette loro di fare statistiche, attività che in alcuni settori viene chiamata scienza “dura” o “quantitativa”, che inoltre permette loro di costruire teorie e poi di rovistare tra i propri campioni fino a trovarne una che si adatta. Gli scienziati planetari non hanno oggetti sufficienti per poter fare la stessa cosa. Ogni pianeta, ogni luna è diversa, quindi non permette statistiche, ma si presta alla ricerca ed alla formulazione di ipotesi.

Se si schiaccia in modo rapido una palla di gomma – più e più volte – la stessa diventerà calda. Nella scienza planetaria questo si chiama pompaggio di marea. A Stan Peale, planetologo presso la U.C. di Santa Barbara, è venuta l’idea che il pompaggio di marea potrebbe sciogliere un particolare satellite di Giove o di Saturno (non importa quale), spiegando in tal modo alcune delle caratteristiche interessanti del satellite. Il pompaggio di marea può essere pensato come la flessione di un oggetto, che si avvicina e si allontana dal campo gravitazionale di un oggetto massiccio. Peale ha poi scoperto che aveva male interpretato i parametri orbitali dell’oggetto in questione e che il meccanismo non avrebbe funzionato. Fortunatamente fu in grado di rovistare in tutto il sistema solare e trovare un oggetto che avrebbe fatto quanto da lui previsto. Fu quindi in grado di rivedere il suo articolo ed ottenerne la pubblicazione su Science, poco prima che un veicolo spaziale fosse lanciato e permettesse di identificare un vulcano in eruzione su Io, una luna di Giove, sostituzione fatta all’ultimo minuto. Questa è stata una delle più notevoli previsioni nella Storia della planetologia e della vulcanologia. Nel caso in cui non siate informati sulle vostre lune, Io è quella che si presenta come una pizza; le olive, si scopre, sono vulcani.

Ciascuno dei gruppi di specialisti (il Cast dei Personaggi) ha un proprio modello, idea o leggenda della Terra. Alcuni seguono l’ideale platonico, secondo cui la concezione della Terra è più reale della Terra reale. Alcuni modelli sono di pura fantasia, agghindati con tutte le nuove idee od osservazioni, tali per cui appaiono come alberi di Natale, con ornamenti aggiunti nel corso degli anni e tramandati di generazione in generazione. Altri modelli sono basati su una visione limitata del pianeta, estesa però a tutto il pianeta. (“L’elefante è come un palo,” disse l’Indostano cieco toccando la gamba dell’elefante.) Altri ancora sono idealizzazioni estreme, simili alla “Sacra Teoria della Terra” di Burnet – una sfera incontaminata fatta di strati concentrici, ordinata per densità, non corrotta dai peccati degli uomini. Oppure sono simili al modello di Dante, dove i vari strati sono i peccati degli uomini, con Satana congelato nel centro cristallizzato. Oppure sono simili al modello di Kircher, con venature simili a pennacchi, che permeano l’interno. Ognuno di questi modelli è una idealizzazione fatta sulla base di una visione unilaterale.

La maggior parte delle teorie della Terra non funziona molto bene per la Terra. Pentole riscaldate dal basso o pianeti costituiti principalmente di materiale originario del sistema solare o di materiale isotropo o puramente elastico, somigliano poco al nostro pianeta. Molti scienziati della Terra, tuttavia, sostengono questi punti di vista, citando spesso, anche a sproposito, il tanto frainteso Rasoio di Occam.

Dante ha anticipato Occam e il suo Rasoio:

“Tutto ciò che è superfluo
spiace a Dio e alla natura
Tutto ciò che spiace
a Dio e alla natura
è male.”
De Monarchia, I