1. Le Onde Sismiche come "Tomografia" Terrestre
Poiché l'essere umano non può perforare direttamente la Terra oltre i primi 12 chilometri di profondità, l'esplorazione dell'interno del nostro pianeta si fonda principalmente sull'analisi geofisica delle onde sismiche.
Quando un terremoto si verifica, le onde P ed S attraversano il globo terrestre in tutte le direzioni. La loro velocità di propagazione e le loro traiettorie dipendono strettamente dalle proprietà chimico-fisiche (densità, rigidità, stato di aggregazione) dei materiali rocciosi che incontrano lungo il cammino. Poiché la Terra non è omogenea, le onde subiscono fenomeni di rifrazione (deviazione) e riflessione quando passano da uno strato geologico all'altro.
2. Le Principali Discontinuità Terrestri
Analizzando i cambiamenti repentini nella velocità di propagazione delle onde sismiche all'aumentare della profondità, i geofisici hanno individuato delle superfici di separazione chiamate discontinuità, che suddividono l'interno della Terra in involucri concentrici:
- Discontinuità di Mohorovičić (Moho): Scoperta dal sismologo Andrija Mohorovičić nel 1909, segna il confine tra la crosta (continentale o oceanica) e il mantello sottostante. In corrispondenza di questa superficie, le onde P subiscono un brusco aumento di velocità (passando da circa \(6.0 \text{ km/s}\) a oltre \(8.0 \text{ km/s}\)) a causa della maggiore densità delle rocce ultramafiche del mantello superiore.
- Discontinuità di Gutenberg: Situata a circa \(2900 \text{ km}\) di profondità, separa il mantello inferiore dal nucleo esterno. È caratterizzata da una drastica diminuzione della velocità delle onde P e dalla totale scomparsa delle onde S, prova inequivocabile che il nucleo esterno è allo stato fuso/liquido.
- Discontinuità di Lehmann: Posta a circa \(5150 \text{ km}\) di profondità, segna il passaggio dal nucleo esterno liquido al nucleo interno solido, dove le onde S ricominciano a propagarsi (seppure rifratte).
La traiettoria curva delle onde sismiche all'interno della Terra è regolata dalla legge di Snell della rifrazione. Quando un'onda attraversa strati a densità crescente, la sua velocità (\(V\)) aumenta e la traiettoria si incurva gradualmente verso la superficie secondo la relazione: $$\frac{\sin i_1}{V_1} = \frac{\sin i_2}{V_2} = \text{costante}$$ dove \(i\) è l'angolo di incidenza rispetto alla normale alla superficie di discontinuità.
3. Le Zone d'Ombra Sismica
Un'ulteriore conferma della struttura stratificata della Terra deriva dallo studio delle zone d'ombra sismica (shadow zones):
- Zona d'ombra delle Onde P: Compresa tra \(103^\circ\) e \(142^\circ\) di distanza epicentrale. In questa fascia le onde P non arrivano direttamente perché vengono fortemente deviate (rifratte) verso l'esterno incontrando il nucleo liquido.
- Zona d'ombra delle Onde S: Si estende per oltre \(140^\circ\) dall'epicentro fino agli antipodi. Poiché le onde S non possono attraversare il nucleo esterno liquido, l'intera porzione di pianeta situata oltre i \(103^\circ\) risulta completamente priva di registrazioni di onde S, confermando l'estensione del nucleo fuso.
📝 Esercizio Svolto: Interpretazione dei Profili di Velocità Sismica
Durante l'analisi dei dati registrati da una fitta rete di sismografi globali in seguito a un grande terremoto, si osserva che le stazioni posizionate a una distanza angolare di \(115^\circ\) dall'epicentro registrano chiaramente le onde P (seppure con un forte ritardo), ma non registrano alcuna traccia delle onde S. Spiegare la causa geofisica di tale evidenza sperimentale.
Svolgimento analitico:
- Posizione angolare: Una distanza di \(115^\circ\) si colloca esattamente all'interno della cosiddetta "zona d'ombra" sismica.
- Comportamento delle Onde P: Pur subendo una forte deviazione (rifrazione) e un rallentamento nel nucleo esterno liquido, le onde P riescono a riemergere in superficie dopo aver attraversato il nucleo, sebbene in ritardo rispetto ai tempi previsti per una traiettoria crostale diretta.
- Comportamento delle Onde S: Le onde S sono onde di taglio e non si propagano nei fluidi. Trovando la sbarramento del nucleo esterno liquido a \(2900 \text{ km}\) di profondità, vengono totalmente estinte e non possono attraversarlo.
🎯 Conclusione: L'assenza di onde S a \(115^\circ\) conferma che il raggio sismico ha dovuto attraversare un involucro interno allo stato fuso (nucleo esterno) che blocca totalmente le onde trasversali.