Per studiare le caratteristiche fisiche della Terra, accanto all'indagine diretta (il pozzo più profondo che sia stato perforato è però di 15 km di profondità rispetto a 6300 km del raggio terrestre) si ricavano informazioni tramite lo studio delle variazioni locali del campo gravitazionale, del flusso di calore e del campo magnetico; ma l'apporto fondamentale è dato dall'analisi dei tracciati delle onde sismiche, le quali interagiscono con i materiali che incontrano nella loro propagazione e vengono riflesse e deviate in modo caratteristico. La struttura interna della Terra presenta numerose discontinuità e una successione di strati fino a un nucleo centrale. La crosta terrestre è lo strato più esterno ed è delimitata verso il basso dalla discontinuità di Mohorovici´c, chiamata più semplicemente Moho. La Moho si trova a profondità variabile, in media ca 8-10 km sotto le aree oceaniche e ca 35-40 km sotto i continenti dove però può spingersi anche fino a più di 70 km in corrispondenza delle più alte catene montuose. Tra la crosta oceanica, più sottile, e la crosta continentale, più spessa, vi è una netta differenza di composizione chimica. La prima ha una densità media di 3 g/cm3 ed è costituita da rocce basaltiche ricche di alluminio, silicio, ferro (sial). La crosta continentale ha una densità di ca 2,8 g/cm 3 ed è composta essenzialmente da rocce granitiche, via via più basiche dalla superficie alla Moho. Al disotto della crosta comincia il mantello, che si estende sino alla discontinuità di Gutenberg, alla profondità di ca 2900 km. La densità passa da ca 3 g/cm3 in prossimità della Moho, sino a 5,6 g/cm3 nelle parti più profonde. La temperatura aumenta dalle poche centinaia di gradi che si dovrebbero misurare a livello della Moho, fino a più di 3000 °C presso la discontinuità di Gutenberg. Dal giorno in cui nacque la teoria della tettonica a placche si è scoperto che il mantello è caratterizzato da importanti moti convettivi che portano materiale più caldo e più profondo verso la superficie. In questi ultimi anni si dibatte se le celle convettive partano direttamente dal confine tra il mantello e il nucleo o se vi siano più livelli tra loro distinti caratterizzati da singole celle convettive. Al disotto della discontinuità di Gutenberg vi è il nucleo terrestre, che ha un raggio di ca 3470 km, più della metà del raggio terrestre. La densità, di ca 10 g/cm3 a livello della discontinuità di Gutenberg, aumenta progressivamente fino a ca 13,5 g/cm3, il che depone a favore dell'idea di un brusco cambiamento della composizione chimica. La caratteristica più significativa del materiale esistente al di sotto della discontinuità di Gutenberg è che in esso le onde sismiche di tipo S non si propagano. Ciò starebbe a indicare che questa parte della Terra si trova allo stato liquido. All'interno del nucleo, poi, è stata dimostrata l'esistenza di una nuova superficie di discontinuità, la discontinuità di Lehmann, che separa il nucleo esterno, liquido, dal nucleo interno che sappiamo essere solido, perché in esso si trasmettono anche le onde S. Oggi si ritiene che molto probabilmente il nucleo sia costituito da ferro mescolato in una percentuale del 15-20% con del silicio.
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