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Maturadio

Casa dolce casa

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Il sistema Terra di Paolo Ballato .

La storia della geologia; la Terra come sistema integrato: geosfera, atmosfera, idrosfera e biosfera; gli strumenti della geologia: satelliti, navi oceanografiche e misure in atmosfera. Editor di questa lezione per Rai Radio 3: Roberta Fulci.

Maturadio è un progetto di podcast didattici per la maturità promosso dal Ministero dell'Istruzione con la collaborazione di Rai Radio 3 e Treccani
Ideazione di Christian Raimo
La sigla di Maturadio è di Teho Teardo

Ciao ragazzi, sono Paolo Ballato, sono un geologo, lavoro al Dipartimento di Scienze dell’Università di Roma Tre ed oggi vi parlerò del Sistema Terra.
Il Pianeta Terra è un luogo unico ed è la casa di quasi 9 milioni di specie diverse, tra cui l’uomo. A noi sembra ovvio, ma per il momento non conosciamo nessun altro pianeta con lo stesso delicato equilibrio, indispensabile per consentire la vita. Ciò che ci differenzia dagli altri pianeti è ben visibile dallo spazio; la Terra, infatti, appare come una sfera blu avvolta da sottili strie e vortici bianchi. Al di sotto delle nuvole, possiamo vedere le terre emerse con le loro sfumature cromatiche a testimoniare una varietà di ambienti e di forme di vita straordinaria.
La Geologia fa parte delle Scienze della Terra e ha come obiettivo la comprensione della Terra e dei processi che ne controllano l’evoluzione. Che cosa fa un geologo? Cerca risposte a domande tipo: da cosa è composta la Terra? Come è strutturata? Perché abbiamo continenti ed oceani? Come si sono formate le catene montuose? Perché alcune zone sono soggette a terremoti ed eruzioni vulcaniche mentre altre no? Qual è stata l’evoluzione della superficie terrestre, dei suoi ambienti, del suo clima e delle forme di vita che l’hanno popolata?
Prima di iniziare il nostro viaggio alla scoperta della Geologia facciamo una piccola deviazione storica per capire come è cambiata la percezione dell’uomo e come siamo arrivati alle conoscenze attuali.
I nostri antenati hanno iniziato a farsi domande sul pianeta probabilmente già 4.2 milioni di anni fa, quando in Africa Orientale l’australopiteco iniziava a muovere i suoi primi passi magari guardando un vulcano in eruzione. Anche quando imparava a riconoscere le rocce utili per colpire, tagliare, o semplicemente abbellirsi stava di fatto imparando a conoscere il mondo in cui viveva.

C’è un documento egizio preziosissimo, il documento geologico più antico che si conosca: il Papiro delle miniere, che risale al 1100 a.C ed è conservato nel Museo egizio di Torino. Il papiro rappresenta una zona presso la città di Luxor, nella media valle del Nilo. con colline formate da rocce di vario tipo ed una strada che porta ad alcune miniere d’oro. Una vera carta geologica realizzata per fini pratici.
Dalla storia egizia ci spostiamo alla mitologia indiana della cultura Vedica (1500-1000 a.C.). Nelle valli dell’Himalaya nord-occidentali si trovano negli scritti che sono pervenuti a noi i primi segni di una presa di coscienza del mondo circostante e del suo continuo trasformarsi in tempi lunghissimi. è l’idea di un «tempo profondo», cioè la cognizione che il nostro pianeta è il risultato di una storia lunga milioni di anni.
Questa concezione oggi è condivisa da geologi, astronomi e cosmologi ed è stata acquisita in tempi relativamente recente Forse 3000 anni fa quest’idea si stava affacciando nella mente di quelle popolazioni. 
Nello stesso periodo, nelle colonie ioniche del Mare Egeo, molti studiosi cominciarono a rivolgere la loro attenzione alla natura, riconoscendo i segni di continue trasformazioni. Se avete letto le metamorfosi di Ovidio, forse ricorderete che a un certo punto compare Pitagora. Ovidio gli fa dire: Io stesso vidi ciò che un tempo era stato solida terra trasformato in mare; vidi dalle acque emergere nuove terre e lontano dalle rive, abbandonate, conchiglie marine. Si scoprono quindi i fossili, come tracce di vita del passato, da cui ricavare informazioni su cambiamenti degli ambienti terrestri. 
L’idea dei fossili però lì per lì non prende piede: dalla fine dell’Impero Romano e per tutto il Medio Evo, i fossili sono considerati scherzi della natura o resti di organismi abbandonati sui monti dal Diluvio Universale. La versione proposta come evento-origine del mondo attuale era quella: il diluvio universale. 
Per trovare qualche tentativo di spiegazione dell’origine della crosta terrestre, dobbiamo aspettare il XV - XVI secolo anche se, più che teorie, abbiamo speculazioni fantasiose, lontane dall’osservazione e dall’esperienza. Con un’eccezione importante: Leonardo da Vinci (1452-1512), che traeva le sue conclusioni da osservazioni dirette sul terreno. La sua mente, libera da pregiudizi, aveva intuito la continua trasformazione della superficie terrestre. Le sue scoperte però rimasero nascoste nei suoi manoscritti e furono conosciute solo nei secoli successivi.
Nel frattempo, la geologia vive una svolta grazie a un evento di portata clamorosa: la scoperta dell’America. Insieme all’esplorazione degli Oceani, la scoperta dell’America trasforma la percezione del mondo e apre nuove strade che superano le speculazioni teoriche. 
Facciamo un altro salto in avanti: nel Settecento in Europa nasce finalmente la Geologia come scienza a sé stante. Si impara a interpretare l’origine delle rocce e dei fossili, che diventano strumenti preziosi per ricostruire i paesaggi del passato. 
Due studiosi diedero contributi fondamentali in quell’epoca: il veronese Arduino (1714-1795), che riconosce nella storia della Terra alcuni grandi «capitoli» (le ere geologiche) e lo scozzese James Hutton (1726-1797). Sarà lui ad aprire una nuova strada, scoprendo che le rocce subiscono episodi ciclici di deformazione, sollevamento, ed erosione. “Nel tempo, questo ciclo ricomincia”, così scrive Hutton, “senza che si riescano a percepire tracce di un inizio, né prospettive di una fine”. È l’immagine di una Terra dinamica, in continua trasformazione, attraverso processi ciclici. 
Facciamo un ultimo salto. Con l’inizio del Novecento arriva una teoria profondamente innovativa che apre nuove prospettive. Il meteorologo tedesco Alfred Wegener (1880-1930) propone l’immagine di una Terra “mobile”, con la teoria della deriva dei continenti. La crosta terrestre si trasforma non solo attraverso movimenti verticali, ma anche spostandosi lateralmente, cosicché terre emerse ed oceani cambiano forma e posizione. C’è stato un tempo in cui le terre emerse hanno formato un unico continente chiamato Pangea, dalla cui separazione si sono formati gli Oceani.
L’idea di Wegener, così audace e innovativa, aveva bisogno di altri dati per venire validata e perfezionata. 
Altri tasselli si aggiunsero via via, come la scoperta della radioattività naturale come fonte di energia interna della Terra, e lo studio delle caratteristiche dei fondi oceanici. 
Nella seconda metà del Novecento si giunge così a un modello globale chiamato “tettonica a placche” che interpreta il funzionamento del nostro pianeta e offre risposte a molti quesiti fino ad allora irrisolti. La Terra è costituita de diversi involucri concentrici, come una cipolla. Quello più esterno è formato da venti frammenti (placche) in continuo movimento, a causa di moti che agitano l’interno profondo della Terra. Ma questa è ormai cronaca. 
E pensare che tutto era cominciato quando Pitagora aveva osservato conchiglie marine abbandonate sulle terre emerse lontano dalle coste.

Che cosa fa un geologo? Ricostruisce, sia pure a grandi linee, i 4,5 miliardi di anni di evoluzione del nostro pianeta. Non è un compito semplice. Le ricerche sulle rocce, vero archivio della storia della Terra, hanno messo in luce un continuo intrecciarsi di vicende: dalla lenta trasformazione da massa informe di polvere cosmica all’attuale corpo roccioso, allo sviluppo degli oceani, dell’atmosfera e della vita, inclusi noi esseri umani con a riflettere sul suo nostro stesso passato. 
Queste riflessioni ci hanno fatto capire che la Terra non è un semplice aggregato di materiali solidi, liquidi e gassosi, ma un «sistema integrato», cioè un insieme di componenti, ciascuna con la propria individualità, che interagiscono tra loro attraverso una complessa serie di processi fisici, chimici e biologici. 
Questi componenti sono dette sfere e possono essere rappresentate come veri e propri involucri a stretto contatto tra loro. Le sfere che costituiscono il sistema Terra sono: geosfera, atmosfera, idrosfera e biosfera. Andiamo a guardare gli strati uno per uno. 
La geosfera è la Terra solida e comprende la maggior parte della massa del pianeta, ovvero le terre emerse e il fondo degli oceani. È formata da silicati, cioè minerali a base di Silicio ed è composta da vari involucri concentrici. Quello più esterno ha uno spessore variabile da circa 100 a oltre 200 km ed è chiamato litosfera. La litosfera è a sua volta costituita da numerosi blocchi, («placche»), in grado di muoversi uno rispetto all’altro. La litosfera è costantemente modellata dall’azione di grandi processi: alcuni sono endogeni, cioè hanno origine all’interno della litosfera, come eruzioni vulcaniche, formazioni di catene montuose, apertura di nuovi oceani. Altre forze, invece sono esogene ovvero sono controllate da processi esterni quali l’erosione operata dalle acque, dai ghiacci, dal vento. 
L’idrosfera comprende lo strato di acque che ricopre, con gli oceani e i mari, oltre il 70% della superficie del pianeta. Comprende anche le acque dolci dei fiumi e dei laghi, e quelle che si infiltrano nel sottosuolo. Dell’idrosfera fa parte anche la criosfera («sfera di ghiaccio»), ovvero l’acqua allo stato solido che forma le calotte glaciali e i ghiacciai di montagna
L’atmosfera è l’involucro gassoso che avvolge la Terra. è quella che si manifesta in modo vistoso negli ammassi e nei vortici di nubi visibili nelle immagini del pianeta dallo spazio. La sua massa si concentra nei primi 30 km sopra la superficie, anche se i gas, via via più rarefatti, arrivano a 2000-2500 km di quota. 
La biosfera comprende tutti gli organismi che vivono sulle terre emerse, in mare e nell’atmosfera. 
Le «sfere» si sono formate nel corso della storia della Terra e sono legate da complesse relazioni, per cui ogni modifica in una sfera comporta una risposta globale, che coinvolge tutte le altre sfere. L’assetto del nostro pianeta, perciò, è il risultato di un delicato equilibrio dinamico che comprende continui scambi di materia e energia tra l’interno del pianeta, la superficie terrestre, gli oceani e l’atmosfera.

Vediamo ora alcuni esempi di equilibri e interazioni tra sfere:
1) la Biosfera per esempio interagisce con Litosfera nel momento in cui abbiamo la formazione di imponenti rocce fossilifere, che, con il tempo, andranno a costituire intere montagne come le Dolomiti o alcuni settori dell’Appennino centro-meridionale. Quei rilievi sono formati, infatti, di calcari, prodotti dall’attività di organismi marini, come coralli, gasteropodi e alghe, tutti capaci di costruire i loro gusci sottraendo il carbonato di calcio all’acqua del mare in cui vivono. Strato su strato, costruiscono imponenti scogliere e barriere coralline, che si trasformano prima o poi in terre emerse. Un altro esempio? Pensate ai grandi accumuli di carbone e di petrolio in cui la sedimentazione e il seppellimento di materia organica è alla base della formazione di vere e proprie rocce sedimentarie di natura organica.
2) Idrosfera, atmosfera e litosfera. I processi che operano nell’idrosfera e nell’atmosfera contribuiscono al modellamento della litosfera. Ad esempio, i corsi d’acqua incidono e scavano valli e trasportano via il materiale eroso, che finisce in mare, dove si depositerà per trasformarsi in rocce sedimentarie. Anche l’atmosfera produce effetti analoghi, con processi sia meccanici (erosione del vento), sia chimici (alterazione per via delle sostanze contenute nell’aria).
3) Atmosfera e biosfera. La presenza dell’atmosfera è di vitale importanza per la biosfera. Innanzitutto, l’atmosfera limita le escursioni termiche giornaliere entro una gamma di valori compatibili con la vita; e 
poi assorbe le radiazioni ultraviolette provenienti dal Sole, nocive per gli esseri viventi. Anche la biosfera modifica l’atmosfera: l’ossigeno nell’aria infatti è prodotto dall’attività del mondo vegetale. Senza le piante la composizione dell’atmosfera sarebbe molto diversa (come è stato nei primi tempi dell’evoluzione della Terra).
A queste interazioni dobbiamo aggiungere l’impatto dell’essere umano come parte integrante della biosfera, che partecipa in maniere determinante alla fitta rete di interazioni che caratterizza il sistema Terra. 
Rispetto agli altri organismi, noi esseri umani modifichiamo l’ambiente in modo profondo, prelevando dal pianeta enormi quantità di materie prime, disperdendo nell’ambiente rifiuti e scarti di lavorazione, e modificando il paesaggio con insediamenti e infrastrutture. 
Spesso però le attività antropiche modificano in modo irreversibile i processi che regolano i delicati equilibri tra le diverse componenti del sistema, come vedremo nelle prossime puntate quando parleremo di atmosfera e cambiamenti climatici

Facciamo un passo in più: la Terra non è sospesa nel vuoto. Interagisce anche con gli altri corpi: il Sole e i pianeti più vicini. La Terra è un sistema aperto, che scambia energia (sotto forma di radiazioni) e massa (attraverso i meteoriti) con il resto del Sistema solare. 
Come accennato precedentemente, i processi che mantengono la Terra in evoluzione sono attivati da due «motori»: uno interno e uno esterno. Il motore interno (ovvero le forze endogene) è alimentato dall’energia termica che si trova all’interno del pianeta. 
Il motore esterno (ovvero le forze esogene) dipende dall’energia che la Terra riceve dal Sole sotto forma di radiazioni. 
Al motore interno è legato il meccanismo della Tettonica delle Placche che affronteremo nelle prossime puntate. Al motore esterno invece sono collegate una serie di interazioni fra le sfere, che sono responsabili dei fenomeni climatici e del modellamento del rilievo terrestre.

Studiare la Terra significa tenere a mente due obiettivi complementari: 
- Il primo è conoscitivo ed è volto alla comprensione del funzionamento del nostro pianeta e di come avvengono le continue trasformazioni che lo modellano
- Il secondo è applicativo: ed è volto al reperimento di dati e informazioni necessarie per un corretto rapporto tra esseri umani e pianeta e si applica per esempio al recupero di risorse, agli interventi sull’ambiente, e alla mitigazione dei rischi naturali.
Oggi le Scienze della Terra hanno molti mezzi di indagine e impiegano un’ampia gamma di metodologie di analisi e di strumentazioni sempre più sofisticate; 
grazie anche all’utilizzo di potenti calcolatori elettronici per l’elaborazione di grandi quantità di dati. Facciamo qualche esempio: 

1) Uno ‘sguardo’ dall’alto (immagini da satellite)
Le immagini da satellite consentono il monitoraggio di vaste aree della superficie terrestre. Con le foto scattate dai satelliti si riescono a raccogliere dati in zone difficilmente accessibili e con una continuità temporale unica, con numerose misure in brevi intervalli di tempo. I satelliti, sono estremamente importanti lo studio degli oceani, perché ci permettono di rilevare le caratteristiche fisico-chimiche delle acque di mare (temperatura, salinità, contenuto in ossigeno) e di capire i sistemi di circolazione oceanica globale. 
2) Sul fondo degli oceani (sonar)
Le navi oceanografiche moderne consentono alcuni dei progressi più spettacolari nelle conoscenze dei fondali marini, con strumenti come il sonar multibeam (multifascio), che irradia il fondo marino attraverso un ventaglio di onde acustiche restituendoci una visione di dettaglio della morfologia e della profondità dei fondali marini. E poi ci sono i veicoli telecomandati che possono essere inviati nelle profondità abissali sia per scopi esplorativi che estrattivi.
3) Misure in atmosfera 
Per effettuare misurazioni sempre più precise nell’atmosfera, invece, si usano palloni sonda, aerei e razzi equipaggiati con opportune strumentazioni. In questo modo si registra un’enorme massa di dati che poi è elaborata da potenti computer in stazioni a terra e ci permette di avere un quadro generale dei fenomeni meteorologici estesi alla scala dell’intero pianeta. 
Sempre più importante è il monitoraggio continuo da parte di satelliti artificiali per la sorveglianza dell’atmosfera e delle radiazioni solari che la investono. Pensate ai cicloni: Le immagini in tempo reale consentono di individuare l’innescarsi di grandi perturbazioni atmosferiche e di seguirne l’evoluzione, permettendo di tracciare tempestivi piani di difesa.

Ci sono poi delle parti del nostro pianeta alle quali non è possibile accedere e quindi fare ricerche dirette, come le camere magmatiche al di sotto dei vulcani o gli ammassi di roccia in profondità. Per studiare l’interno del pianeta ci dobbiamo avvalere della Geofisica e quindi un sistema di analisi indirette. La struttura profonda è indagata attraverso lo studio della gravità, del campo magnetico naturale, del flusso di calore che arriva in superficie e, soprattutto, lo studio delle onde sismiche. 
Le onde sismiche sono «vibrazioni» prodotte da un terremoto o da un’esplosione artificiale, che possono attraversare anche l’intero pianeta per essere registrate e interpretate in superficie da appositi strumenti (i sismometri). 
La sismica ci sta portando alle frontiere della Geologia: computer potenti, che elaborano dati sismici raccolti da una rete mondiale di stazioni, hanno permesso di sviluppare la tomografia sismica, una tecnica che fornisce immagini tridimensionali dell’interno della Terra.

Oggi noi sappiamo che la Terra è un pianeta ‘fatto a strati’, con rocce a densità crescente spostandosi verso il centro della Terra stessa. è una conseguenza del modo in cui il pianeta si è formato: Durante la formazione del Sistema solare, infatti, i pianeti interni arrivarono a una fusione quasi totale. In quello stato, gli elementi chimici più pesanti sprofondarono verso il centro del pianeta, mentre gli elementi più leggeri migrarono verso la parte esterna. L’interno di questi pianeti è quindi formato da strati a diversa composizione. All’interno della Terra, dove le temperature sono molto elevate, c’è un nucleo denso, di ferro e nichel, che occupa circa metà del raggio terrestre (che misura circa 6371 km). Il nucleo del pianeta è ulteriormente suddiviso in due porzioni: il nucleo interno, solido, e il nucleo esterno, liquido. 
Andiamo oltre: subito dopo il nucleo, andando verso l’esterno, troviamo un mantello silicatico di materiale meno denso del nucleo, solido, e una sottile crosta anch’essa solida e silicatica, ancor meno densa del mantello. La crosta e la parte superiore del mantello formano la litosfera. La crosta si distingue in crosta continentale (spessore di circa 35 km e sino a 50-60 sotto le catene montuose), che forma i continenti e i loro margini sommersi, e crosta oceanica (spessore fino a 8 km), che costituisce i fondali degli oceani.
Ma l’uomo non si è accontentato e si è spinto verso le frontiere dello spazio esterno, con l’esplorazione di altri pianeti e dei loro satelliti, soprattutto attraverso l’invio di sonde spaziali poste in orbite intorno ad essi o in grado di scendere sulla loro superficie. Una menzione particolare la merita il rover Opportunity che ha toccato il suolo di Marte nel 2004 e ci ha inviato una quantità significativa di informazioni sulla litosfera e l’atmosfera marziana fino al 2018 quando una tempesta di sabbia ha coperto i suoi pannelli solari portando a termine la sua missione. 
Attraverso i dati così raccolti da sonde e rover, i geologi specialisti di geologia planetaria cercano di capire quali processi hanno rimodellato la superficie di pianeti e satelliti e se vi è la possibilità di trovare acqua e tracce di vita.

In questa lezione abbiamo ripercorso le tappe che hanno contribuito ad una maggiore comprensione del pianeta Terra: dalle prime osservazioni ed intuizioni fino alle scoperte più recenti 
Queste osservazioni ci hanno permesso di riconoscere nella Terra un sistema integrato in cui le varie sfere (geosfera, idrosfera, biosfera e atmosfera) interagiscono tra loro attraverso una complessa serie di processi fisici, chimici e biologici.
Oggi le tecnologie più sofisticate permettono l’osservazione e il monitoraggio della Terra sia dall’esterno che dall’interno. 
Dall’esterno, per capirne le forze esogene, Dall’interno, per interpretarne le forze endogene. 
E gli strumenti e le nuove tecnologie consentono lo studio diretto e indiretto di luoghi inaccessibili: gli oceani più remoti, i poli terrestri, i fondali marini, l’interno del pianeta, ed oltre la Terra, gli altri pianeti del Sistema Solare. 

 

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