La convezione del mantello

Il trasferimento di calore

Il calore si trasmette da un corpo all'altro con tre modalità.

Il primo meccanismo è la conduzione. La temperatura di un solido dipende dall'intensità della vibrazione dei suoi atomi: quanto più è elevata la vibrazione, tanto più è alta la temperatura. Si parla di conduzione quando le vibrazioni sono trasmesse da un corpo più caldo a uno più freddo. I metalli sono buoni conduttori, mentre le rocce sono dei cattivi conduttori, per questo la conduzione non può raffreddare significativamente la Terra, dal momento che il calore impiega 5 miliardi anni per attraversare 400 km di rocce.

convezioneUn secondo modo di trasmettere il calore è per irraggiamento. Anche questa modalità è improbabile per le condizioni presenti all'interno della Terra. Infatti, ogni corpo emette radiazioni elettromagnetiche, la cui frequenza è proporzionale alla sua temperatura. Quando un corpo è portato all'incandescenza, emette radiazioni che ricadono principalmente nello spettro del visibile e nell'infrarosso.

Il terzo modo, tipico dei fluidi, è la convezione. Un liquido o un gas riscaldato diventa meno denso del materiale circostante e tende a salire, mentre il suo posto è occupato da materiale più denso e freddo che scende. Si crea così una cella convettiva, che è un meccanismo di trasporto del calore efficace soprattutto per il nucleo esterno, che si trova allo stato fluido. Le onde sismiche rivelano invece una rigidità del mantello; tuttavia, se si applica una forza per milioni di anni in condizioni di alta pressione e alta temperatura, le rocce possono comportarsi come un fluido molto denso.

 

Convezione.
M. CRIPPA, M. FIORANI, Geografia generale, Arnoldo Mondadori, Milano 2002, p. 317.

 

L'ipotesi di Holmes

correnti convettiveA. HolmesArthur Holmes nel 1931 ipotizzò che la parte esterna della Terra fosse composta da tre involucri, formati rispettivamente di graniti, dioriti e peridotiti; chiamò crosta gli strati superiore e intermedio, substrato lo strato inferiore. Poiché l'attività vulcanica non riesce a dissipare il calore prodotto dal decadimento radioattivo, il calore in eccesso genera delle correnti convettive nel substrato (oggi chiamato mantello), che risalgono sotto i continenti.
La corrente ascendente di ogni cella convettiva è rappresentata dal magma caldo in risalita, che trova una parziale via di sbocco nella dorsale. La corrente ascendente a questo punto si divide in due rami divergenti orizzontali.
La corrente convettiva orizzontale sottocrostale, poi, allontanandosi dalla dorsale si raffredda, divenendo più densa e pesante; inizia così un moto discendente che trascina con sé la crosta oceanica sovrastante, la quale sprofonda formando le fosse oceaniche ai margini dei continenti e degli archi insulari.
Dove le correnti divergono si ha la frantumazione del continente, con l'allontanamento dei blocchi: è questo il modo in cui si sarebbe frantumata la Pangea, dando una spiegazione molto più convincente rispetto a quella fornita da Wegener per la deriva dei continenti.
Il materiale roccioso del mantello terrestre sembrerebbe essere troppo rigido perché si possa comportare come un fluido e quindi possa essere soggetto a circolazione convettiva. Anche la cera fredda, per esempio, si presenta come un solido; ma se si appoggia una sfera di piombo sulla sua superficie, nel giro di poche ore o giorni, tale sfera sprofonda lentamente dentro la cera, a dimostrazione che questa non è altro che un fluido ad alta viscosità. Allo stesso modo, il mantello terrestre risponde come un corpo rigido ed elastico alle sollecitazioni di breve periodo, quali per esempio le onde sismiche. Ma se si applicasse lo sforzo per decine di milioni di anni, in condizioni di alta pressione e temperatura, anche il mantello, come tutti i solidi, subirebbe una deformazione permanente di tipo plastico, comportandosi come una sostanza estremamente viscosa. L'esempio da tenere presente non è quello di una pentola d'acqua che bolle, ma piuttosto di una pentola di marmellata o di polenta che, nonostante la maggior viscosità, raggiunta una certa temperatura, comincia a «bollire» producendo bolle ascensionali. Quindi, nonostante la viscosità del mantello, testimoniata dalle ricerche sismiche e dai dati gravitazionali, è opinione diffusa che un trasporto convettivo di calore possa e debba aver luogo anche nel mantello stesso.

 

A. Holmes.
A. BOSELLINI, La Terra dinamica, Bovolenta, Ferrara 2009, p. B146.
Modello della cella di Hess.
J. PHELAN, M.C. PIGNOCCHINO, Le scienze naturali - Complessità e interazioni nella Terra e nei viventi, Zanichelli, Bologna 2016, p. 211.