Il nostro pianeta si sta lentamente raffreddando; la quantità di calore primordiale in esso contenuta è ancora enorme (12,6 x 1024 MJ) e si muove dalle profondità della Terra verso la sua superfice, dove viene dissipato nell’ambiente.
Al flusso di calore primordiale si aggiunge quello del calore prodotto dal decadimento degli isotopi radioattivi a lunga vita dell’uranio, del torio e del potassio, presenti in molte rocce e materiali che costituiscono la crosta terrestre.
Origine del Calore Interno della Terra
L'esistenza di un'energia termica all'interno della Terra è un fatto certo e ben conosciuto. Vulcani, sorgenti termali, soffioni, geyser e le elevate temperature presenti nelle miniere e nei pozzi documentano in modo inequivocabile la presenza di un calore interno.
Le cause che hanno prodotto alla formazione del calore attualmente presente all'interno della terra sono molteplici.
- Gran parte di esso deriva dal decadimento degli isotopi radioattivi presenti nelle rocce, in particolare quelle acide della crosta terrestre, che contengono uranio, torio e potassio, con tempo di dimezzamento molto lungo, e sarebbero responsabili del 40% delle emissioni termiche della superficie.
- Gli elementi radioattivi avrebbero determinato inoltre la fusione dei metalli, in particolare del ferro. Quest'ultimo spostandosi verso il centro della Terra a causa della gravità, avrebbe liberato grandi quantità di energia gravitazionale sotto forma di calore, alzando ulteriormente la temperatura.
- Infine, va aggiunto il calore primordiale della Terra, che si aggirerebbe attorno ai 1000°C, dovuto alla pressione prodotta dalla compattazione delle particelle e dal loro attrito.
Pur con estrema variabilità da luogo a luogo, in funzione delle caratteristiche geologiche, il calore fluisce ininterrottamente; si stima che il flusso di calore medio emesso in aree continentali sia di 57 mW/m2 (milliwatt a metro quadro di superficie), mentre in aree oceaniche il flusso è molto più elevato, circa 99 mW/m2.
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Il continuo rilascio di calore fa si che, in generale, la temperatura diminuisca spostandosi dall’interno della Terra verso la sua superficie.
Abituati a guardare le cose da un punto di vista umano, noi diciamo che la temperatura terrestre aumenta con la profondità, secondo il cosiddetto gradiente geotermico, la variazione di temperatura con la profondità (in °C/km ovvero gradi centigradi per chilometro).
Dando per assodato che la terra al suo interno contenga energia si definisce gradiente termico l’aumento di temperatura che si registra nel sottosuolo ogni 100 m di profondità.
La temperatura è stato calcolato che aumenta di 1° ogni 39 metri.
Gradiente Geotermico e Grado Geotermico
Il gradiente geotermico è l'aumento della temperatura, espressa in gradi centigradi, ogni 100 metri di profondità. Ha un valore medio di 2 - 3°C/100 metri, ma può variare anche notevolmente da località a località, con punte di 0,6°C/100 m e 14°C/100 m, a causa di particolari fenomeni geologici.
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Il grado geotermico è il numero di metri che bisogna scendere sotto la superficie terrestre per avere l'aumento di 1°C. Il grado geotermico è in media circa 39 m.
Applicando questo valore all'intero raggio terrestre, otterremmo una temperatura al centro della Terra di oltre 190000°C, ma una tale situazione provocherebbe la fusione del nostro pianeta, per cui questo valore deve avere validità solo per la superficie.
Sappiamo, infatti, dalla sismologia che le onde trasversali, che non si trasmettono sui fluidi, attraversano tutto il mantello, vengono bloccate nel nucleo esterno per ricomparire nel nucleo interno; perciò si può dedurre, in base alla composizione mineralogica, che la temperatura del centro della Terra non può superare i 5000°C.
A tale temperatura, le rocce dovrebbero fondere ma, a causa dell'elevatissima pressione, ciò non avviene.
Attraverso i dati forniti dalle onde sismiche e dai valori della pressione, è stato calcolato l'andamento delle temperature all'interno della Terra, descritto da una curva chiamata geoterma.
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Struttura Termica Interna
Se il gradiente geotermico si mantenesse costante fino al centro della terra ci si troverebbe nell’assurdità che si raggiungerebbero 190mila gradi Centigradi temperatura che porterebbe la terra all’ebollizione e ad esplodere.
Gli studi hanno definito che solo il nucleo esterno è allo stato fuso .
E dato che il Mantello è costituito principalmente da peridotiti che sono composti prevalentemente dall’Olivina che fonde in condizioni di pressioni esistenti nel mantello a 5.500°C gli studiosi hanno ipotizzato che questa è la massima temperatura alla base del mantello.
Oggi si pensa che il mantello non superi i 3.700°C mentre il nucleo interno raggiunga i 4.300°C.
Osservando l'andamento nel grafico, si può vedere che:
- la litosfera ha una temperatura inferiore a quella di fusione e perciò è rigida;
- l'astenosfera si presenta plastica perché vicina al punto di fusione;
- la restante parte del mantello è solida, con la curva di fusione sopra la geoterma;
- il nucleo esterno ha, invece, una temperatura superiore a quella di fusione e perciò è fluido;
- il nucleo interno ha la geoterma nuovamente sotto il punto di fusione e quindi è allo stato solido.
Trasmissione del Calore
Si è pensato che il calore si potesse trasmettere dai strati più interni a quelli più esterni poi per conduzione.
Purtroppo si è assodato che le rocce hanno un basso livello di conducibilità termica per cui hano calcolato che questo meccanismo impiegherebbe 5miliardi di anni per attraversare solo 400km di rocce.
Poiché la terra a 4.6 miliardi di anni è da escludere la conduzione.
Allora si è ipotizzato che il calore si espandi per convenzione con la modalità di trasferimento propria dei fluidi.
Flusso di Calore
La misura diretta del gradiente geotermico si può effettuare solo fino a pochi km di profondità.
Per il resto utilizziamo il Flusso di Calore ossia la quantità di calore che sfugge dalla superficie terrestre su una data area in un certo intervallo di tempo.
Ad ogni flusso di calore corrisponde un determinato gradiente geotermico.
La misurazione avviene moltiplicando il gradiente geotermico locale misurato in una galleria o in una miniera per la conducibilità termica locale.
Il flusso di calore è la quantità di energia termica che si allontana dalla Terra per unità di area nell'unità di tempo. L'unità di misura è l'HFU (Heat Flow Unit), equivalente a 42 milliwatt per metro quadro (42 mW/m2).
Nei continenti, costituiti in prevalenza da rocce magmatiche acide, ricche di isotopi radioattivi, il flusso medio di calore è di 1,5 HFU. Il valore è inferiore nelle zone interne, geologicamente stabili, che presentano una crosta spessa, e maggiore nelle aree attive, dove la crosta è più sottile.
L'Italia, geologicamente giovane, ha un flusso di calore superiore alla media, in particolare nelle aree vulcaniche della Toscana e del Lazio.
Negli oceani il flusso di calore è diverso a seconda delle aree e, a parte nelle dorsali, è appena inferiore a quello dei continenti. Nei bacini oceanici è circa 1,3 HFU, mentre è inferiore a 1 HFU nelle fosse; lungo le dorsali il flusso è maggiore di 2 HFU.
Poiché le rocce basiche contengono pochi minerali radioattivi, i valori dovrebbero essere nettamente inferiori a quelli dei contenenti, invece la differenza è molto lieve.
Il motivo non è chiaro; si suppone che il flusso di calore degli oceani sia aumentato a causa delle correnti convettive del mantello che fanno risalire materiale caldo lungo le dorsali, e perché la crosta oceanica è molto più sottile di quella continentale.
Ipotesi sull'Origine del Calore Interno
la prima è che la terra stia perdendo man mano col tempo il suo calore interno per irraggiamento verso gli strati più esterni.
Ciò implicherebbe che il calore interno sia residuo del calore originario e che sia tutto contenuto nel nucleo.
La seconda ipotesi è invece che la terra sia in grado continuamente di generare energia termica Grazie al decadimento radioattivo di alcuni isotopi di potassio e uranio contenuti nelle rocce all’interno della crosta.
Applicazioni Geotermiche
Un’altra caratteristica dello stato termico del sottosuolo, oltre alla presenza del flusso-gradiente geotermico, è la stabilità termica.
Il terreno infatti, grazie alla sua elevata inerzia termica, già a moderata profondità risente solo marginalmente delle fluttuazioni termiche giornaliere e stagionali della temperatura dell’aria ambiente.
In principio, quindi, basta accedere a sufficiente profondità per ottenere la temperatura voluta.
La produzione di elettricità da impianti geotermici consiste nella conversione del calore di un fluido in energia elettrica attraverso l’utilizzo di turbogeneratori, nei quali un fluido in fase vapore fornisce la forza necessaria per muovere le palettature di una turbina facendola ruotare, quindi generando energia meccanica che viene poi trasformata in energia elettrica da un generatore.
Il vapore fornito alle turbine può derivare direttamente dai fluidi sotterranei - quando sono in parte o totalmente vaporizzati (tecnologie a contropressione, condensazione e flash) - oppure da fluidi diversi, secondari - riscaldati fino allo stato gassoso con il calore proveniente dai fluidi geotermici mediante uno scambiatore di calore (tecnologie binarie).
Perché la produzione elettrica risulti economica occorre che il calore geotermico sia sufficientemente concentrato, e quindi che i fluidi prodotti mediante uno o più pozzi abbiano temperature e flussi elevati.
L’applicazione più importante di produzione di calore geotermico è quella dedicata al riscaldamento e raffrescamento degli ambienti, ovvero alla climatizzazione.
Per riscaldare gruppi di edifici, quartieri o intere città si utilizza invece il teleriscaldamento geotermico, un sistema in cui il calore prodotto da un impianto centralizzato viene distribuito alle utenze finali attraverso una rete di distribuzione.
Il fluido distribuito alle utenze viene riscaldato tramite uno scambiatore di calore, che trasferisce il calore del fluido geotermico, prelevato con uno o più pozzi.
Terremoti e Onde Sismiche
Il terremoto è una serie di vibrazioni che percuotono il suolo.
Esso ha origine al centro della terra in un punto in cui avviene una liberazione improvvisa di energia (ipocentro) mentre il punto sulla verticale al suolo della superficie definito Epicentro.
Una scossa sismica è una serie ininterrotta di vibrazioni del suolo.
Su come si genera un terremoto fu il geologo americano Harry F.Reid che studiando il terremoto disastroso di San Francisco del 1906 arrivò alla scoperta della teoria del rimbalzo elastico.
Secondo Reid le rocce se sottoposte a sforzi di compressione o distensione hanno un comportamento elastico ossia non si rompono ma si deformano progressivamente accumulando energia potenziale finchè non si raggiunge un limite definito Limite di Rottura.