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Introduzione

Geofisica Disciplina scientifica che studia, dal punto di vista fisico, la struttura della Terra e i fenomeni geodinamici. Più specificamente, ha come oggetto i fenomeni che riguardano l’interno della Terra, l’atmosfera, l’idrosfera (le acque) e la ionosfera.

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Fisica della Terra solida

È la branca della geofisica che si occupa della struttura interna del pianeta – dalla crosta fino al nucleo interno –, dei materiali di cui è costituita e dei fenomeni che la interessano, come i terremoti e il magnetismo. La forma e le dimensioni del pianeta sono più specificamente oggetto della geodesia, che si occupa anche della determinazione del campo gravitazionale terrestre, del moto di rotazione intorno al proprio asse, della posizione dei poli, delle maree e dei movimenti tettonici. Quanto a quest’ultima applicazione, grazie alle più moderne tecniche satellitari, è possibile determinare gli spostamenti delle zolle tettoniche con una precisione dell’ordine del centimetro.

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Il magnetismo terrestre

Come è noto, il nucleo terrestre è sorgente di un campo magnetico che circonda l’intero pianeta e che si estende nello spazio creando intorno a sé una regione detta magnetosfera. All’origine del fenomeno vi sarebbero i moti convettivi del materiale fluido ionizzato presente negli strati più profondi della Terra, che quindi, secondo la teoria oggi più diffusa, si comporterebbe come una gigantesca dinamo autoeccitata. Lo studio delle variazioni subite dal campo magnetico terrestre nel corso delle ere geologiche, detto paleomagnetismo, ha fornito tra l’altro le prime indicazioni a favore della teoria della tettonica a zolle.

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La gravità e le maree

Oggetto di studio della geofisica è anche la gravità terrestre, vale a dire, la forza di attrazione che la Terra esercita su tutti i corpi presenti sulla sua superficie o nelle sue vicinanze. Tale forza non ha esattamente la stessa intensità in tutti i punti della superficie del nostro pianeta; le differenze di gravità relativa, dovute a variazioni locali della densità terrestre al di sotto del sito di misurazione, prendono il nome di anomalie gravimetriche e vengono rilevate mediante bilance estremamente sensibili, dette gravimetri.

Il fatto che la Terra ruoti all’interno del campo gravitazionale lunare e di quello solare provoca ulteriori variazioni periodiche della gravità: le maree ne sono l’effetto più appariscente, ma anche nella crosta solida si producono deformazioni analoghe, benché quasi del tutto impercettibili.

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Sismologia

La scoperta che i terremoti più violenti siano da ricondurre al movimento delle zolle tettoniche che compongono la crosta terrestre ha messo in evidenza come l’attività sismica non abbia un carattere locale, ma planetario. Tale acquisizione ha dato un notevole impulso alle ricerche nel campo della sismologia. Gran parte delle conoscenze sulle dinamiche della litosfera, del mantello e del nucleo terrestre derivano dallo studio del comportamento delle onde sismiche al loro passaggio attraverso gli strati interni della Terra. Le tecniche di sismologia sono state inoltre di inestimabile aiuto per la ricerca di giacimenti di combustibili fossili.

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Idrologia

L’idrologia si occupa in generale dello studio delle acque presenti nell’atmosfera e sui continenti, in superficie o nel sottosuolo. Principale oggetto di studio di questa disciplina è il ciclo dell’acqua, l’incessante circolazione delle acque tra la terra, l’aria e il mare, risultato di processi di evaporazione, evapotraspirazione, precipitazioni e scorrimento.

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Vulcanologia

La vulcanologia è quella branca della geofisica che si occupa dei fenomeni vulcanici nonché delle strutture, dei depositi e delle forme del paesaggio associati al complesso delle attività eruttive. Una delle sue applicazioni è la prevenzione delle eruzioni vulcaniche, che si fonda sull’osservazione di determinate manifestazioni “premonitrici”: ad esempio, cambiamenti di direzione e intensità del campo magnetico terrestre; sciami di microsismi; anomalie del flusso di calore in superficie (qualche volta rilevabili da aerei dotati di sensori all’infrarosso).

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Elettricità terrestre

Le correnti elettriche che fluiscono attraverso il suolo sono indotte da campi elettrici o magnetici, di origine naturale o artificiale. La resistività elettrica degli strati più profondi viene studiata mediante metodi detti magnetotellurici, che si basano sull’osservazione delle correnti indotte dalle variazioni geomagnetiche. Una caratteristica importante determinata dai geofisici è che la conduttività del mantello terrestre aumenta con la profondità.

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Fenomeni atmosferici

Lo studio dell’atmosfera terrestre si suddivide in due rami principali, che si occupano rispettivamente degli strati inferiori e superiori del nostro involucro gassoso. Negli strati inferiori dell’atmosfera, l’aria è sufficientemente densa da sottostare alle leggi della fluidodinamica; la fisica di questi sistemi è quindi dominio della meteorologia. I fenomeni dell’atmosfera superiore sono trattati invece dall’aeronomia e dalla fisica della magnetosfera.

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Geofisica applicata

Principali applicazioni degli studi geofisici sono la ricerca di giacimenti di petrolio, gas naturale, minerali e acqua dolce, significativi dal punto di vista economico. Le ricerche geofisiche vengono inoltre condotte a scopi ingegneristici, per valutare la tenuta e il comportamento del suolo in vista della costruzione di strade, ferrovie, edifici, gallerie ecc.

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Tecniche della geofisica applicata

Usati soprattutto per la ricerca di petrolio, gas e minerali metalliferi, i rilevamenti elettrici ed elettromagnetici permettono di disegnare mappe di conduttività delle rocce. Speciali strumenti, calati all’interno di fori di sonda, consentono ai geofisici di valutare la porosità delle rocce attraverso lo studio del loro comportamento elettrico locale, mentre elettrodi conficcati nel suolo permettono di studiare il passaggio di correnti continue e alternate negli strati rocciosi superficiali.

Per mezzo di rilevamenti gravimetrici si misurano le variazioni di densità dovute a corpi rocciosi anomali; gli strumenti impiegati, detti gravimetri, possono essere collocati su terraferma, su nave o in fori di sonda.

I rilevamenti magnetici possono essere effettuati a terra o anche da un aereo, soprattutto per l’esplorazione petrolifera. Impiegando sofisticati magnetometri si registrano le anomalie del campo magnetico e si distinguono particolari geologici non evidenziati dai soli dati sismici.

La misurazione dei tempi di percorrenza delle onde sismiche è uno dei metodi più comuni usati in geofisica applicata. L’esplorazione sismica comprende la tecnica a rifrazione e quella a riflessione. La prima viene impiegata a scopi ingegneristici, per la ricerca di petrolio, o per individuare acque sotterranee. La tecnica a riflessione serve invece a evidenziare il contatto tra diversi tipi di roccia ed è pertanto più indicata per lo studio delle strutture geologiche.

I rilevamenti geotermici hanno come scopo la misura delle variazioni di temperatura nella crosta e dei flussi di calore. Importanti per gli studi vulcanologici, essi servono anche a individuare giacimenti di energia geotermica.

I rilevamenti di radioattività, condotti a terra e dall’aria, misurano invece i livelli naturali di radioattività terrestre. Contatori Geiger e a scintillazione vengono impiegati per l’individuazione di giacimenti uraniferi o di altri minerali radioattivi.

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Programmi

I programmi di geofisica sono destinati a raccogliere, studiare e sintetizzare dati provenienti da molti siti e relativi a lunghi periodi di tempo. L’Anno geofisico internazionale, ad esempio, è un programma internazionale dedicato all’esplorazione delle atmosfere solare e terrestre, che fu realizzato nel periodo 1957-1958, caratterizzato da un’elevata attività solare. Nel 1964-1965 seguì l’Anno internazionale del Sole quieto, con lo scopo di confrontare i periodi di massima e minima attività solare e i relativi effetti sui fenomeni terrestri.

Programmi geologici per la perforazione di pozzi profondi nella crosta terrestre, come il Deep Sea Drilling Programme, completato nel 1983, e il successivo Ocean Drilling Programme, sono pure di grande importanza dal punto di vista geofisico. I dati geodetici forniti dal Global Positioning System (GPS) vengono utilizzati per valutare l’entità dei movimenti delle zolle crostali, mentre il World Weather Watch (WWW) e il Global Atmospheric Research Programme (GARP) sono volti a migliorare le possibilità di previsione meteorologica.