Gli obiettivi principali del Corso sono tre: 1. Far maturare nello studente la convinzione della necessita’ di una profonda conoscenza della Fisica per le diverse applicazioni necessarie alla comprensione del Sistema Terra.2. Dare allo studente una specifica conoscenza dei meccanismi fisici dell’interno del Pianeta.3. Sensibilizzare lo studente ad un approccio interdisciplinare e multidisciplinare e alle diverse metodiche utili allo studio del Sistema Terra.
scheda docente
materiale didattico
Titus-Bode Law. Pianeti terrestri e gassosi. Cenni sulla formazione del sistema solare. Cenni di chimica del sistema solare. Classificazione geochimica degli elementi. Formazione e differenziazione dei pianeti
La Terra come Pianeta
Definizione di pianeta. Leggi di Keplero. Caratteristiche generali: acqua liquida, atmosfera, dicotomia crostale, campo magnetico, dinamica interna.
Massa, densità e momento d’inerzia della Terra
Il problema della stima della densità media della Terra: cenni storici (da Newton a Poynting). L’esperimento di Cavendish in chiave moderna. Stima della massa della Terra e dei pianeti – Densità media della Terra. Richiami sul momento d’inerzia. Tensore dei momenti d’inerzia. Ellisoide e sferoide. Momento d’inerzia di una sfera solida a densità costante. Momenti d’inerzia e modelli di strutture planetarie.
La forma e la gravità terrestre
La forma (figure) della Terra..Ellissoide oblato e schiacciamento polare. Forma della Terra e topografia. Forma della Terra e variazioni di g. Accelerazione e potenziale gravitazionale. Potenziale gravitazionale: equazione di Laplace. Potenziale gravitazionale in coordinate sferiche. Potenziale gravitazionale di una sfera solida a densità costante. Soluzione generale dell’equazione di Laplace in coordinate sferiche. Polinomi di Legendre. Armoniche sferiche e coefficenti di Stokes. Equazione di MacCullagh e momenti d’inerzia. Ellitticità della forma (figure) della Terra. Il rapporto di accelerazione m (acceleration ratio). Il geopotenziale. Relazione fra J2, J4, m ed f. Calcolo del rapporto d’inerzia per la Terra. La gravità sullo sferoide di riferimento. Latitudine geocentrica e geografica. Formula di Clairaut. La gravità normale. Il geoide. Misure di g. Misure assolite e relative. Correzioni nella misura di g. Anomalie in aria libera e di Bouguer. Non univocità delle anomalie di g. Isostasia. Anomalie isostatiche. Movimenti verticali della crosta. Compensazione isostatica. Aggiustamenti isostatici e viscosità del mantello. Misure del geoide da satellite. Ondulazioni del geoide.
Maree e rotazione terrestre
Origine delle maree. Potenziali mareali. Componenti dell’accelerazione mareale lunare. Combinazione delle maree lunari e solari. Maree Terrestri. Attrito mareale e decelerazione della rotazione terrestre e lunare. Nutazione di Eulero ed oscillazione di Chandler. Precessione luni-solare.
Cenni sulle proprietà dei minerali e delle rocce
Struttura cristallina dei minerali. Le rocce. Classificazione delle rocce. Rocce sedimentarie, ignee e metamorfiche. Eutettici e soluzioni solide.
Magnetismo terrestre: Cenni storici - da Petrus Peregrinus a Gauss.
Il magnetismo delle rocce
Fisica del magnetismo. Principio di equivalenza di Ampere. Richiami sui momenti magnetici atomici. Suscettività magnetica. Proprietà magnetiche della materia. Diamagnetismo (teoria classica). Paramagnetismo (teoria classica). Ferromagnetismo. Ferrimagnetismo. Antiferromagnetismo. Ferromagnetismo parassita. Minerali magnetici. Magnetismo delle rocce. Titanomagnetiti e serie magnetiche. Magnetizzazione delle rocce. Tipi di magnetizzazione. Magnetizzazione termo-rimanente (TRM). Magnetizzazione chimica rimanente (CRM). Magnetizzazione detritica rimanente (DRM). Cenni sul Paleomagnetismo.
Campo magnetico terrestre
Le osservabili del CMT. Carattersitiche generali del CMT. Equazione di Laplace e potenziale del CMT. Coefficienti di Gauss. CMT modellizzato con dipoli. Il campo dipolare terrestre. Best fit del CMT – dipolo eccentrico inclinato. Spettro di potenza del CMT. Stima della profondità della sorgente del campo principale. Variazione secolare. Sorgenti esterne del CMT. Composizione del nucleo terrestre. Modelli del CMT. Dinamo di Bullard. Modello a dinamo autoeccitata. L’approccio magnetoidrodinamico. Equazioni della magnetoidrodinamica. Modelli magneto idrodinamici. Misure magnetiche. Magnetometro a precessione. Anomalie magnetiche e correzioni.
Calore terrestre
Il budget energetico della Terra. Trasmissione del calore all’interno della Terra: conduzione, convezione, irraggiamento e avvezione. Sorgenti interne di calore. Calore originario; calore radiogenico; altre sorgenti di calore. Equazione della conduzione (Equazione di Fourier). Equazione della conduzione del calore in tre dimensioni. Diffusione termica. Termine avvettivo. Geoterma di equilibrio. Cenni sul trasporto di calore nella litosfera oceanica e continetale. Scala temporale del flusso conduttivo di calore. Gradiente termico adiabatico. Gradiente del punto di fusione. Diagrammi delle geoterme all’interno della Terra.
Struttura interna della Terra
Equazione di Adams- Williamson. Andamento della densità con la profondità. Densità decompressa. La fasi mineralogiche del mantello. Modello composizionale della Terra. Struttura ed asimmetrie del nucleo terrestre. Profili di v, rho, g e P all’interno della Terra. Modello di Bullen e Preliminary Reference Earth Model (PREM).
Fowler, C. M. R. (2005). The Solid Earth, Cambridge University Press.
Mutuazione: 20410042 FISICA TERRESTRE in Fisica LM-17 PETTINELLI ELENA
Programma
La Terra nel Sistema SolareTitus-Bode Law. Pianeti terrestri e gassosi. Cenni sulla formazione del sistema solare. Cenni di chimica del sistema solare. Classificazione geochimica degli elementi. Formazione e differenziazione dei pianeti
La Terra come Pianeta
Definizione di pianeta. Leggi di Keplero. Caratteristiche generali: acqua liquida, atmosfera, dicotomia crostale, campo magnetico, dinamica interna.
Massa, densità e momento d’inerzia della Terra
Il problema della stima della densità media della Terra: cenni storici (da Newton a Poynting). L’esperimento di Cavendish in chiave moderna. Stima della massa della Terra e dei pianeti – Densità media della Terra. Richiami sul momento d’inerzia. Tensore dei momenti d’inerzia. Ellisoide e sferoide. Momento d’inerzia di una sfera solida a densità costante. Momenti d’inerzia e modelli di strutture planetarie.
La forma e la gravità terrestre
La forma (figure) della Terra..Ellissoide oblato e schiacciamento polare. Forma della Terra e topografia. Forma della Terra e variazioni di g. Accelerazione e potenziale gravitazionale. Potenziale gravitazionale: equazione di Laplace. Potenziale gravitazionale in coordinate sferiche. Potenziale gravitazionale di una sfera solida a densità costante. Soluzione generale dell’equazione di Laplace in coordinate sferiche. Polinomi di Legendre. Armoniche sferiche e coefficenti di Stokes. Equazione di MacCullagh e momenti d’inerzia. Ellitticità della forma (figure) della Terra. Il rapporto di accelerazione m (acceleration ratio). Il geopotenziale. Relazione fra J2, J4, m ed f. Calcolo del rapporto d’inerzia per la Terra. La gravità sullo sferoide di riferimento. Latitudine geocentrica e geografica. Formula di Clairaut. La gravità normale. Il geoide. Misure di g. Misure assolite e relative. Correzioni nella misura di g. Anomalie in aria libera e di Bouguer. Non univocità delle anomalie di g. Isostasia. Anomalie isostatiche. Movimenti verticali della crosta. Compensazione isostatica. Aggiustamenti isostatici e viscosità del mantello. Misure del geoide da satellite. Ondulazioni del geoide.
Maree e rotazione terrestre
Origine delle maree. Potenziali mareali. Componenti dell’accelerazione mareale lunare. Combinazione delle maree lunari e solari. Maree Terrestri. Attrito mareale e decelerazione della rotazione terrestre e lunare. Nutazione di Eulero ed oscillazione di Chandler. Precessione luni-solare.
Cenni sulle proprietà dei minerali e delle rocce
Struttura cristallina dei minerali. Le rocce. Classificazione delle rocce. Rocce sedimentarie, ignee e metamorfiche. Eutettici e soluzioni solide.
Magnetismo terrestre: Cenni storici - da Petrus Peregrinus a Gauss.
Il magnetismo delle rocce
Fisica del magnetismo. Principio di equivalenza di Ampere. Richiami sui momenti magnetici atomici. Suscettività magnetica. Proprietà magnetiche della materia. Diamagnetismo (teoria classica). Paramagnetismo (teoria classica). Ferromagnetismo. Ferrimagnetismo. Antiferromagnetismo. Ferromagnetismo parassita. Minerali magnetici. Magnetismo delle rocce. Titanomagnetiti e serie magnetiche. Magnetizzazione delle rocce. Tipi di magnetizzazione. Magnetizzazione termo-rimanente (TRM). Magnetizzazione chimica rimanente (CRM). Magnetizzazione detritica rimanente (DRM). Cenni sul Paleomagnetismo.
Campo magnetico terrestre
Le osservabili del CMT. Carattersitiche generali del CMT. Equazione di Laplace e potenziale del CMT. Coefficienti di Gauss. CMT modellizzato con dipoli. Il campo dipolare terrestre. Best fit del CMT – dipolo eccentrico inclinato. Spettro di potenza del CMT. Stima della profondità della sorgente del campo principale. Variazione secolare. Sorgenti esterne del CMT. Composizione del nucleo terrestre. Modelli del CMT. Dinamo di Bullard. Modello a dinamo autoeccitata. L’approccio magnetoidrodinamico. Equazioni della magnetoidrodinamica. Modelli magneto idrodinamici. Misure magnetiche. Magnetometro a precessione. Anomalie magnetiche e correzioni.
Calore terrestre
Il budget energetico della Terra. Trasmissione del calore all’interno della Terra: conduzione, convezione, irraggiamento e avvezione. Sorgenti interne di calore. Calore originario; calore radiogenico; altre sorgenti di calore. Equazione della conduzione (Equazione di Fourier). Equazione della conduzione del calore in tre dimensioni. Diffusione termica. Termine avvettivo. Geoterma di equilibrio. Cenni sul trasporto di calore nella litosfera oceanica e continetale. Scala temporale del flusso conduttivo di calore. Gradiente termico adiabatico. Gradiente del punto di fusione. Diagrammi delle geoterme all’interno della Terra.
Struttura interna della Terra
Equazione di Adams- Williamson. Andamento della densità con la profondità. Densità decompressa. La fasi mineralogiche del mantello. Modello composizionale della Terra. Struttura ed asimmetrie del nucleo terrestre. Profili di v, rho, g e P all’interno della Terra. Modello di Bullen e Preliminary Reference Earth Model (PREM).
Testi Adottati
Stacey, F. D., and Davis, P. M. (2008) Physics of the Earth, Cambridge University Press.Fowler, C. M. R. (2005). The Solid Earth, Cambridge University Press.
Modalità Erogazione
Metodo di insegnamento tradizionale in modalità mista. In parte vengono impartite lezioni frontali alla lavagna, fondamentalmente dedicate alla parte numerica e alle dimostrazioni matematiche, ed in parte vengono utilizzate le slides per gli argomenti più descrittivi. Le lezioni teoriche vengono alternate con lezioni dedicate alla parte di esercitazione numerica che sono finalizzate alla verifica dell'apprendimento e del problem-solving da parte degli studenti.Modalità Valutazione
L'esame si solge in modalità orale finalizzata a verificare il livello di comprensione effettiva dei concetti e la capacità di descrivere sia gli aspetti formali che le implicazioni fisiche degli argomenti trattati. La durata dell'esame è di circa 45 minuti. Nella prima parte dell'esame la commissione chiede allo studente di trattare un argomento di suo interesse tra quelli descritti nel programma. Nella seconda parte dell'esame la commissione verifica la completezza ed il rigore metodologico utilizzato dallo studente nel descrivere la fenomenologia ed i principi di base della fisica del Sistema Terra.