# Rivista di Scienza - Vol. I/Cos'è la Terra?

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Rivista di Scienza - Vol. I Autori vari 1907 CC BY-SA 3.0 GFDL Indice:Rivista di Scienza - Vol. I.djvu //it.wikisource.org/w/index.php?title=Rivista_di_Scienza_-_Vol._I/Cos%27%C3%A8_la_Terra%3F&oldid=- 20130712222935 //it.wikisource.org/w/index.php?title=Rivista_di_Scienza_-_Vol._I/Cos%27%C3%A8_la_Terra%3F&oldid=- 20130712222935
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COS’È LA TERRA?
Un po’ di storia.
Assodata, nella seconda metà del secolo 17°, col trionfo definitivo della teoria Copernicana, cui Newton aveva dato il fondamento meccanico, la posizione della Terra nel sistema del mondo, s’impose naturalmente alla vivace curiosità filosofica dell’epoca il problema: Cos’è la Terra? La così detta Teoria della Terra domina infatti tutto il secolo 18°, e ad essa convergono gli sforzi di fisici, di naturalisti, di filosofi e pur troppo anche di teologi. Il problema infatti non era accessibile, come quello della posizione, a una metodica osservazione esteriore, nè schematizzabile, come quello, in una rappresentazione puramente meccanica, e poteva essere accostato da tutte le vie del pensiero scientifico e della fantasia induttiva; esso inoltre rappresentava un nuovo attacco alla tradizione, che i più avevano consolidato in fede. Si comprende come, più che di una discussione, scientifica, il problema diventasse così il campo di una lotta, in cui, in mancanza di fatti, si ricorreva alle armi della logica, alle geniali ipotesi, alla critica biblica e al principio d’autorità.
La questione si apri colla dimostrazione data da Stenone che i fossili erano veramente avanzi o impronte di animali vissuti in epoche anteriori; i fossili marini in particolare sarebbero stati un testimonio parlante del diluvio biblico. Si cominciò col tentare delle rappresentazioni di questo cataclisma diluviale, fondandosi specialmente sulla interpretazione dei libri sacri; e poiché, per spiegare ciò che il cataclisma aveva fatto della Terra, era necessario sapere come fosse la Terra prima del diluvio, le scienze fisiche e la scienza sacra si allearono nell’architettare teorie sulla genesi delle rocce, [p. 194 ﻿sull’origine delle acque, sulla formazione delle montagne, sulla costituzione interna del nostro globo. Nel Medio Evo la lotta si sarebbe esaurita in una logomachia formale; il nuovo spirito scientifico la deviò invece sempre più nel campo della realtà, finchè i lottatori trascinati per vie diverse nella ricerca di prove di fatto, non si trovarono più l’uno di contro all’altro, e ciascuno continuò per conto suo il proprio lavoro di costruzione, coi materiali propri, senza preoccuparsi più degli altri. Solo il filosofo e il teologo si trovarono senza materiale costruttivo.
Chi parve costruire con maggiore rapidità fu il naturalista. Lo studio delle rocce e dei fossili diede origine a una nuova scienza, la Geologia, che riconobbe negli strati, che costituiscono il guscio superficiale della terra, i documenti di una storia molto antica del nostro pianeta, storia di cui, col sussidio della Paleontologia, potè fissare nelle loro linee generali le epoche caratteristiche, rimontando così a un periodo remotissimo in cui la superficie del nostro globo assai probabilmente era costituita di rocce fuse, analoghe alle lave vulcaniche. Il vulcanesimo attuale portava naturalmente ad ammettere che questa condizione persista tuttora in profondità, e il fatto generalmente constatato che la temperatura del terreno cresce regolarmente e dovunque col crescere della profondità, almeno fin dove l’uomo può arrivare co’ suoi strumenti, giustificava la facile illazione che oltre una certa profondità il materiale terrestre non possa essere che in condizione di fluidità, per la temperatura elevatissima. Così sorse e si mantenne, e si mantiene tuttora presso la maggioranza dei geologi, la convinzione che la Terra è un globo fluido chiuso in una crosta solida.
Questa costruzione induttiva del geologo riceveva, sul principio del secolo scorso, un formidabile sussidio, non di prove ma di argomenti analogici, dall’astronomia. L’ipotesi cosmogonica di Laplace, che considerava il sistema solare attuale come una fase evolutiva di un’unica nebulosa rotante, aumentava la probabilità che la Terra avesse attraversato una fase di fluidità, prima gasosa e poi liquida, di cui il Sole e forse Giove sarebbero tuttora documenti attuali, e da cui la Terra, per le prove accennate, non sarebbe ancora uscita. Durante il secolo 19° l’ipotesi di Laplace fu oggetto di controversia, perchè accanto a nuovi argomenti in appoggio, se [p. 195 ne elevarono molti, di fatto e di teoria, che la contraddicono. Essa conserva però tuttavia, nelle sue basi fondamentali, un alto grado di probabilità, benchè il processo evolutivo della nebula solare non possa ritenersi conforme alla rappresentazione fattane dal Laplace, e sia tuttora un mistero; le nebule astronomiche ci conservano il modello dell’antica nebula solare. Rimane quindi assai probabile che anche la Terra rappresenti un prodotto di condensazione di una massa nebulare, ma troppo poco l’analisi spettrale ci ha rivelato della costituzione di queste per autorizzarci a dedurne il processo di tale condensazione e il suo risultato, cioè la condizione attuale della massa terrestre anche nel suo interno. Accennerò in seguito ad alcune costruzioni ipotetiche anche recenti, rappresentative di questo processo, non senza rilevarne i punti deboli.
Ma l’Astronomia doveva portare per altra via argomenti ben più solidi contro la rappresentazione, che chiamerò geologica, della Terra come massa fluida. Hopkins, studiando le leggi della precessione degli equinozi e della nutazione dell’asse terrestre, trovò che esse non si potevano spiegare nell’ipotesi che la Terra fosse una massa liquida chiusa da un involucro rigido, e ne dedusse che essa doveva essere almeno in gran parte solida. William Thomson (Lord Kelvin) completò la dimostrazione di Hopkins, provando che le leggi accennate sarebbero verificate anche nell’ipotesi di una massa fluida chiusa in un guscio elastico, che cedesse facilmente alle fluttuazioni della massa interna; ma che in tal caso non potrebbe verificarsi il fenomeno delle maree oceaniche. Tutta la teoria delle maree che, nonostante molte incertezze dipendenti dalla grande complessità del problema, risponde assai bene alla realtà dei fatti, è basata sul supposto che la superficie solida della Terra non ceda alle forze di marea coll’istessa prontezza del mare sovrincombente; dobbiamo quindi ammettere nella crosta terrestre un grado piuttosto elevato di rigidità, grado di rigidità che, per l’argomento di Hopkins, deve allora estendersi a tutta la massa terrestre nel suo complesso. Il fenomeno della nutazione dell’asse terrestre ha fatto fare in questi ultimi anni un altro passo alla nostra conoscenza della costituzione interna della terra nel suo assieme. L’asse terrestre oscilla attorno a una posizione media, definita dai poli, come l’asse di una trottola nel principio [p. 196 ﻿del suo movimento. Ora la meccanica dei corpi rigidi dimostra che in un corpo rigido rotante, colla massa, la forma e la velocità di rotazione della Terra, questa oscillazione in un cerchio attorno al polo si compirebbe in un periodo di 305 giorni; invece le misure delle variazioni di latitudine, che da parecchi anni si continuano sistematicamente e contemporaneamente in varie stazioni, avrebbero confermato la conclusione, che l’astronomo americano Chandler aveva già dedotto da anteriori misure di latitudine, che esiste effettivamente un moto periodico dei poli geografici attorno ai poli astronomici, ma che l’escursione di questa oscillazione è assai piccola, di pochi metri, e che il periodo, invece che di 305, è di 428 giorni circa. Newcomb dimostrò che questo allungamento del periodo si spiega quando si ammetta nella Terra una deformazione elastica, per la quale il rigonfiamento equatoriale dovuto alla forza centrifuga tende in ogni istante a disporsi normalmente all’asse istantaneo di rotazione. La Terra nel suo complesso non si comporterebbe quindi come un corpo assolutamente rigido, ma come un corpo quasi rigido e precisamente di una rigidità superiore a quella dell’acciaio. È notevole il fatto che a una conclusione conforme fu condotto Lord Kelvin col suo argomento delle maree. Così sorse e si affermò la teoria, che dirò astronomica, della rigidità della Terra.
Un altro elemento su cui si può fondare un’induzione intorno alla costituzione interna della Terra, è la sua forma. Dopo alcune incertezze, dovute a rapide illazioni da troppo scarse misure geodetiche, fin dal secolo 18°, si era assodato che la Terra ha approssimativamente la forma, già intuita da Newton, di una sfera leggermente schiacciata ai poli, ossia di un ellissoide di rivoluzione. Ora questa è una delle forme d’equilibrio di una massa liquida non soggetta ad alcuna forza esterna e dotata di un lento movimento di rotazione attorno al proprio asse. La Terra ha assunto quindi una forma d’equilibrio corrispondente a uno stato di fluidità, ed è naturale ammettere che almeno in un periodo anteriore della sua evoluzione essa abbia attraversato questo stato. Ma cogli ulteriori progressi della Geodesia si è fatto un passo più in là.
Definendo la superficie terrestre, Geoide, come quella superficie che in ogni punto è normale alla direzione della [p. 197 ﻿gravità (superficie di livello), cioè quella superficie orizzontale, che nelle aree competenti coincide colla superficie media del mare, si verifica con misure geodetiche e di gravità che essa è quasi rigorosamente, e non solo per grossolana approssimazione, un’ellissoide di rivoluzione. Le sue deviazioni, in un senso o nell’altro, da questa superficie ideale non superano i 100 metri, cioè una frazione piccolissima del raggio terrestre (circa 1 : 64000). Questa constatazione sorprendente venne a sconvolgere molti concetti, che si credevano e dai più si credono assodati. Secondo tali concetti il Geoide dovrebbe assecondare nelle sue grandi linee le irregolarità della superficie geografica, innalzandosi verso i rilievi, che deviano il filo a piombo dal lato loro, e abbassandosi verso le cavità: noi leggiamo anche in opere recenti di scienziati autorevolissimi (basti citare il Suess) che la superficie degli oceani è concava, essendo nel mezzo anche di oltre 1000 m. più bassa che alle rive. Invece la superficie Geoide, è indipendente da tali irregolarità; essa corre sotto i rilievi e sopra le cavità, come se non esistessero. Questo fatto ci obbliga ad ammettere che negli strati profondi vi è un compenso delle irregolarità superficiali, che cioè, sotto i rilievi la massa è meno densa, sotto le cavità è più densa, in modo da determinare un compenso quasi perfetto.
Queste conclusioni non parvero spiegabili che nell’ipotesi di una Terra fluida o almeno molle, chiusa in una crosta solida di spessore relativamente piccolo, la quale si sprofondi più o meno nel magma sottostante, molto più denso, secondo che è più o meno gravata sulla superficie. Questa crosta si piegherebbe sotto il peso dei continenti e delle montagne, più che sotto i mari e le pianure, e precisamente quanto è necessario perchè la maggiore spinta del liquido faccia equilibrio al maggior peso. Il magma più denso sarebbe quindi più vicino alla superficie sotto le cavità che sotto i rilievi, ed eserciterebbe quell’attrazione esterna maggiore, che compensa il difetto di massa superficiale. Secondo questo concetto la crosta terrestre è un galleggiante in equilibrio, in isostasi, su un magma intero.
Questa teoria isostatica della Terra è confortata anche dalla permanenza della forma ellissoidica, che il Geoide assunse all’inizio, quand’era allo stato fluido, e mantenne attraverso tutta la sua evoluzione geologica. Questa evoluzione [p. 198 ﻿risponde, almeno negli strati superficiali, ad una continua trasposizione di masse: interi continenti furono demoliti e portati in mare, interi fondi oceanici emersero dalle acque e rocce abissali furono sollevate sulle creste dei più alti monti. Se tali trasporti, che continuano anche sotto i nostri occhi, di enormi masse materiali da una regione all’altra della Terra, si fossero compiuti su un globo rigido, avrebbero dovuto determinare deformazioni notevoli nella superficie esterna di livello: il filo a piombo dovrebbe deviare progressivamente dalle zone demolite verso le zone di accumulazione, e la superficie di livello, che deve seguirla normalmente, dovrebbe quindi abbassarsi da quella parte per gonfiarsi in questa. Il risultato della lunga evoluzione geologica dovrebbe essere un Geoide fatto a gobbe e a fosse. Ciò non è: dobbiamo quindi ammettere che, man mano che il processo di trasporto superficiale si svolgeva, la massa terrestre si accomodava, ammettiamo pure con qualche ritardo, alle successive distribuzioni di masse, in modo da correggere le anomalie indotte da queste, gonfiandosi dove la superficie tendeva a incavarsi per demolizione e contraendosi dove essa tendeva a gonfiarsi per deposito alluvionale. Una tale facilità d’accomodamento pare a molti incompatibile col concetto di solidità, mentre spontaneamente si adatta al concetto di una massa fluida rotante che riassume quasi istantaneamente la forma d’ equilibrio, perturbata da cause esterne.
Per questo ordine di argomenti molti geodeti persistono nell’ammettere la fluidità interna.
La Fisica del secolo scorso non prese posizione netta nella controversia: essa si accorse ben presto che il problema esorbitava dalle anguste pareti de’ suoi gabinetti, e dal rigore dei suoi piccoli mezzi. Il fisico non poteva contribuire al dibattito che come un critico; e in questa posizione egli, coll’autorità di W. Thomson si manifestò piuttosto proclive al concetto della solidità. Ammettendo infatti la fluidità primordiale, parve inammissibile che si formasse e si mantenesse una crosta superficiale, inizialmente sottilissima, di materiale più denso del liquido sottostante di cui era il prodotto di consolidazione, e assoggettata a forze variabili, come quelle di marea. I materiali di consolidazione avrebbero dovuto precipitare verso il centro, e di qui sarebbesi quindi iniziato il consolidamento del globo, che ora sarebbe quasi completo.
Anche la legge che lega, nei limiti delle pressioni sperimentali, la temperatura di fusione alla pressione parve a molti fisici un argomento favorevole al concetto della solidità, benchè alcuni, specialmente nella prima metà del secolo (e tra questi il nostro Belli) abbiano accolto, e cercato di sviluppare anche teoricamente, il postulato della fluidità.
I fatti.
Da questo riassunto, rapido e necessariamente incompleto, appare quanto incerte siano ancora le idee intorno alla condizione fìsica interna, del nostro globo; le diverse scienze che hanno accostato il problema, coi mezzi propri di ciascuna, sono giunte a conclusioni diverse e contradditorie. Non è sperabile che la soluzione definitiva si raggiunga mai, perchè i fatti si sottrarranno sempre all’osservazione; noi non potremo aspirare che ad una soluzione razionalmente plausibile, e che si sottragga alle contraddizioni evidenti. Perciò è necessario partire anzitutto dai fatti, e ricavarne solo quelle deduzioni che ne derivano necessariamente o possibilmente e che, in questo secondo caso, non contraddicono ai postulati di quelle scienze che hanno per oggetto speciale di defluire le proprietà fondamentali dei corpi, e le leggi che le governano, cioè la Fisica e la Chimica, la Meccanica e la Termodinamica, io mi propongo qui di tentare brevemente questa critica dei fatti e delle teorie.
I fatti, che possono ammettersi come assodati, sono i seguenti:
A questi fatti, già accennati nella precedente esposizione, possiamo aggiungere anche quest’altro:
La temperatura interna.
La temperatura cresce colla profondità. In media l’aumento di temperatura è di 1° ogni 33 m. circa, e si ammette senz’altro dalla maggioranza degli autori, anche recentissimi ed autorevolissimi, che tale aumento si conservi anche alle maggiori profondità. Crescendo la temperatura con tale progressione, si raggiungono i 2000 gradi già a 60, i 100000 a 3000 chilometri di profondità, cioè a circa metà del raggio terrestre. Ora a 2000 gradi si fondono quasi tutte le sostanze che noi conosciamo, rocce e metalli; si dovrebbe quindi ammettere che già a profondità relativamente non molto grandi, al più di qualche centinaio di chilometri, tutto il materiale terrestre è allo stato di fusione. Se poi la temperatura cresce, sempre colla stessa progressione, noi raggiungeremo il punto critico di qualsiasi sostanza, cioè quella temperatura oltre la quale una sostanza non può essere che allo stato gasoso. Di qui la necessità di ammettere, secondo Zöppritz, Günther e Arrhenius, che il nucleo centrale della Terra, anzi una frazione rilevante della massa terrestre, sia allo stato gasoso.
Secondo Arrhenius questa condizione di cose (temperatura altissima, dell’ordine di grandezza di 100000°, e stato aeriforme del nucleo terrestre) sarebbe una conseguenza necessaria dell’evoluzione del nostro globo da una nebula primordiale. Data una massa gasosa che si condensi, essa si riscalda. Se si ammette che la massa sia di gas perfetto, che sia soddisfatta cioè la legge di Boyle - Gay Lussac, e che non intervengano moti convettivi, si dimostra facilmente che, quando le dimensioni lineari della massa globulare si riducano alla metà, la temperatura assoluta deve raddoppiarsi in ogni punto. Poichè la massa terrestre quand’era allo stato nebulare occupava un volume immensamente superiore dell’attuale, la [p. 201 temperatura interna deve aver raggiunto un grado altissimo, anche se inizialmente era assai prossima allo zero assoluto. Invece gli strati esterni irradianti calore verso lo spazio e sempre più compressi dovevano liquefarsi e consolidarsi, formando una crosta solida assai coibente pel calore, che mantenne imprigionata la massa gasosa a pressione e a temperatura elevatissime.
Sottoponiamo a critica prudente queste ardite deduzioni del fatto, e vediamo se esse sono le sole che necessariamente se ne possono ricavare.
Anzitutto non si può ammettere, in base a osservazioni limitate a un velo superficiale sottilissimo della massa, che necessariamente la temperatura debba crescere in progressione aritmetica. Anzi già le osservazioni stesse lasciano adito a supporre il contrario, accennando a una progressiva diminuzione del gradente geotermico, cioè dell’aumento di temperatura per ogni 100 m. Fritz trovò che le serie di temperature raccolte nei trafori dei profondi pozzi di Sperenberg e Schladebach, che sono tra le più attendibili, si possono esprimere con molta approssimazione colla formula
$t^{2}=1,8(P+50)$
dove $t$ esprime la temperatura, e $P$ la profondità in metri; la temperatura crescerebbe quindi proporzionalmente non alla profondità, ma circa alla radice quadrata della profondità. Se questa legge si potesse applicare anche alle grandi profondità, a 60 chilom. la temperatura sarebbe non di 2000° ma di circa 330°, a 3000 chilom. non di 100000° ma di circa 2400°.
Ammettiamo e senza alcuna difficoltà, che questa estensione di una formula, verificata soltanto per profondità piccolissime, sia arbitraria. Ma altrettanto e forse più arbitraria è l’estensione della legge di semplice proporzionalità, anche se questa fosse sicuramente verificata nelle osservazioni superficiali. Non vi è alcuna base, si dice, per ammettere il contrario: l’aumento di temperatura colla profondità rappresenta un flusso di calore dall’interno verso l’esterno della massa terrestre, e, poichè si può ammettere che la Terra è in una condizione termica stazionaria, si deve ammettere che per tutte le superfici, che potremo supporre sferiche, centrate nel centro della Terra, passa in un dato tempo la stessa quantità di calore, e che quindi è eguale il dislivello di temperature [p. 202 fra superfici equidistanti. Ma con ciò si ammette implicitamente che sia costante la conduttività termica del materiale costitutivo, postulato affatto arbitrario, nella nostra assoluta ignoranza della qualità di questo materiale e delle condizioni fisiche in cui esso si trova. Non mancano anzi argomenti per ammettere che la conduttività sia maggiore negli strati più profondi, e che quindi si possa avere un flusso eguale di calore con un minore dislivello di temperatura. Anzitutto gli strati superficiali sono più porosi e intersecati da fessure, e quindi più facilmente penetrati dall’acqua e dall’aria, che sono molto coibenti; in secondo luogo le rocce profonde sempre più compatte debbono avere una conduttività sempre crescente; finalmente l’alto valore della densità media della Terra ci obbliga ad ammettere che nel nucleo centrale predominano gli elementi più pesanti, i metalli, e noi vedremo che non mancano argomenti per supporre che sopra tutti predomini il ferro. Ora noi sappiamo che i metalli hanno una conduttività termica molto superiore a quella delle rocce: p. es. la conduttività del ferro fra 0° e 100° è 0,165 mentre quella del marmo è 0,006, cioè 24 volte minore. Non sappiamo però quale possa essere la conduttività nelle condizioni certamente eccezionali di pressione e di temperatura in cui i materiali si trovano a grande profondità: a pressione normale la conduttività nei metalli decresce generalmente colla temperatura, ma noi sappiamo che altri elementi tisici che entro a certi limiti di pressione e temperatura seguono una data legge, a pressioni e temperature elevatissime seguono una legge opposta; ne vedremo un esempio nella temperatura di fusione.
L’argomento fondamentale su cui si fonda il computo delle temperature interne non ha quindi carattere di necessità e il computo stesso è affatto arbitrario. Noi possiamo sulla labile base delle osservazioni di temperatura entro uno strato di poche centinaia di metri costruire un computo, non meno plausibile, che ci conduce a temperature, sempre molto alte, ma molto minori di quelle generalmente dedotte colla semplice legge di proporzionalità.
Ma abbiamo veduto che l’Arrhenius è condotto ad una valutazione elevatissima della temperatura centrale anche da argomenti dedotti della teoria nebulare. Anche volendo ammettere con lui che nella massa nebulare valga la legge [p. 203 ﻿caratteristica dei gas, nella sua forma più semplice espressa dalla formula pv = RT, il suo ragionamento non è affatto persuasivo, perchè in esso non si tien conto dei movimenti convettivi, che necessariamente debbono nascere nella massa, man mano che contraendosi si riscalda. In Meteorologia si insegna che in un’atmosfera d’aria secca non vi può essere equilibrio stabile se la temperatura decresce coll’altezza più di 1° C. ogni 100 m.; se poi l’aria contiene vapore saturo l’equilibrio stabile non può sussistere per una diminuzione verticale di temperatura superiore a circa 1 grado per 100 m., e ciò perchè il calore sviluppato nella condensazione del vapore facilita il movimento ascendente. Ora una stessa condizione di cose deve verificarsi in una massa nebulare cui si attribuiscano le proprietà dei gas ideali. Quand’essa si contrae si riscalda più verso il centro che verso la superfìcie; nasce quindi un dislivello di temperatura da quello a questa, ma tale dislivello non potrà superare un certo limite, che dipenderà dalla natura dei gas e dei vapori costitutivi, e dalle liquefazioni e combinazioni possibili entro la massa. Quando la contrazione è arrivata a questo limite nasceranno delle correnti ascendenti e discendenti, perchè è varcata la condizione d’equilibrio stabile; nelle correnti ascendenti si condensano i vapori, per il raffredamento dovuto alla dilatazione, e si determinano, per il principio di Termodinamica che porta il nome di Le Chatelier-Braun, quelle combinazioni che sviluppano calore (esotermiche) e si decompongono quei composti che nella loro formazione assorbono calore (endotermici); in ogni caso si deve ammettere uno sviluppo di calore che diminuirà il dislivello di temperatura fra gli strati più profondi e i meno profondi. Nelle correnti discendenti si avrà invece assorbimento di calore per evaporazione e per processi chimici inversi, che porteranno al medesimo risultato. La variazione di temperatura lungo un raggio si deve quindi ammettere molto piccola, se si vuol soddisfatta la condizione dell’equilibrio stabile. Se la temperatura superficiale è quella dello spazio esterno, la contrazione non potrà aumentare oltre un certo limite la temperatura centrale; anzi anche questa dovrà dopo un certo punto abbassarsi, perchè si mantenga, col diminuire dei raggio, la condizione d’equilibrio stabile. Tutta la massa si raffredderà; ma gli strati esterni si raffredderanno meno rapidamente, che se fossero [p. 204 ﻿costituiti sempre dalla stessa massa irradiante, mentre invece in essi si succedono masse sempre diverse, che vengono dagli strati più profondi a sostituire quelle che per irradiazione si sono raffreddate oltre il limite compatibile coll’equilibrio e che quindi si sprofondano. Noi verifichiamo continuamente questo continuo processo di ricambio di massa e di calore nei laghi e nei mari. In tali condizioni è difficilmente concepibile la formazione di una crosta superficiale; se questa si forma sulle masse d’acqua o di ghisa fusa per il raffreddamento superficiale, ciò è dovuto al fatto che l’acqua e la ghisa solidificando si dilatano, e quindi diventano più leggere del fluido sottostante. Noi sappiamo invece che quasi tutti i materiali costitutivi della crosta terrestre solidificandosi si contraggono, e quindi appena consolidati alla superficie del proprio magma liquido o gasoso dovrebbero sprofondarsi. La teoria nebulare non porta quindi necessariamente a quelle conclusioni, che Arrhenius ha creduto di ritrarne, per giustificare la sua ipotesi di una temperatura interna elevatissima, immensamente superiore a quella che la Spettroscopia ci permette di determinare nel Sole.
Determinando col delicatissimo strumento di Langley, il bolometro, l’intensità della radiazione nei vari punti dello spettro visibile e invisibile dato da una sorgente luminosa, si è trovato che questa intensità è massima in un certo punto, definito da una determinata lunghezza d’onda, e che questa lunghezza d’onda di massima intensità è inversamente proporzionale alla temperatura assoluta della sorgente.
Si ha quindi modo di determinare la temperatura di una sorgente luminosa, determinando nel suo spettro la posizione di massima intensità radiante; così la temperatura del Sole sarebbe stata determinata di 5880° assoluti, ossia circa 5600° C. Questa deve intendersi la temperatura di quello strato solare che dà lo spettro continuo, cioè della Fotosfera, che rappresenta in certo modo la superficie del sole, solida o liquida, o anche gasosa, ma sotto pressione fortissima. Infatti su di essa gravitano lo strato invertente, che dà le linee d’assorbimento dello spettro, la cromosfera e la corona.
Come si può ammettere che la Terra abbia conservato una temperatura misurabile a centinaia di migliaja di gradi, quando nel Sole, che ha una massa tanto maggiore e in cui dobbiamo, secondo la teoria nebulare, riconoscere il prodotto [p. 205 ﻿di una contrazione assai più intensa e prolungata, non troviamo, anche a grande profondità, che una temperatura di poche migliaia di gradi?
La pressione interna.
Non potendo affermare come cresce, e fino a qual limite cresce, la temperatura colla profondità, torniamo al fatto, che essa cresce e che essa può crescere fino a fondere le rocce: i vulcani ce ne farebbero testimonio. Ne segue da ciò che oltre una certa profondità il materiale terrestre sia tutto fuso? Dimentichiamo per un momento l’argomento astronomico, e consideriamo il problema da un punto di vista esclusivamente fisico.
No, si risponde dai sostenitori della solidità; col crescere della profondità cresce anche la pressione, col crescere della pressione la temperatura di fusione si eleva, e questo aumento è più rapido dell’aumento effettivo di temperatura, cosicchè questa non raggiunge mai il punto di fusione. La roccia si mantiene quindi, salvo condizioni speciali che si verificano nei bacini vulcanici, necessariamente solida a tutte le profondità.
Verifichiamo la solidità di questi successivi anelli del ragionamento. Anzitutto cosa si intende per pressione, e come si misura, entro la massa terrestre? La generalità, oserei dire la totalità, degli autori la definiscono senz’altro come il peso della colonna di roccia sovrastante all’unità d’area orizzontale alla profondità determinata. Ponendo la densità superficiale prossima a 3, la pressione a 1000 m. di profondità sarebbe senz’altro di 300 Kg. per centimetro quadrato, ossia di quasi 300 atmosfere e così via a 10000 m. di 3000 atmosfere etc. In altri termini si misura la pressione nella roccia anche solida come la pressione idrostatica in un liquido in quiete.
Ora il concetto di pressione è strettamente subordinato al concetto di fluidità, cioè di mobilità delle particelle. È assurdo parlare di pressione idrostatica in una massa che almeno fino a una certa profondità tutti considerano solida; in una massa siffatta si dovrà invece parlare di tensioni elastiche, provocate dalle deformazioni che essa subisce in ogni suo punto sotto l’azione delle forze esterne. È per me una sorpresa [p. 206 sempre nuova quella di trovar ripetuta in opere anche recentissime ed autorevolissime di geologia e di fisica terrestre una fallacia così evidente, e di veder fondato su di essa tutto un edificio di teorie, generalmente accolte senza discussione.
Le classiche esperienze di Tresca sul flusso dei metalli, e le recenti determinazioni dei coefficienti di elasticità di molte rocce, compiute specialmente dai fisici giapponesi, hanno bensì dimostrato che tutti i materiali noti posseggono un certo grado di fluidità; alcuni metalli, come il rame, e molte rocce soggette a forze, di trazione o di torsione, anche non molto grandi si deformano progressivamente, come sostanze molli, ma fortemente vischiose. Questo dev’essere tanto più vero, quando il materiale è assoggettato a forze molto grandi, ed è a temperatura elevata; in queste condizioni rocce e metalli debbono comportarsi come liquidi molto vischiosi, e in tal caso si può parlare di una pressione idrostatica, cui si aggiungono però altre forze dipendenti dalla forte coesione delle particelle. La pressione opera su ogni elemento come una forza comprimente; ma le altre forze, che esprimono la vischiosità, possono operare in senso concorde alla pressione, comprimendo ancor più l’elemento, ma possono anche operare in senso contrario e anche prevalere su di essa, determinando una dilatazione. L’un caso o l’altro dipenderà dalla deformazione che ha subito l’elemento, e quindi dalle forze esterne e dal modo con cui il loro effetto si propaga entro la massa.
Ogni elemento della massa terrestre, anche a non grande profondità, dove il materiale si possa dire sicuramente allo stato solido, è soggetto a forze molteplici e variabili: all’attrazione degli altri elementi della massa, alla forza centrifuga della rotazione terrestre, alle mutevoli attrazioni celesti, specialmente del Sole e della Luna, alle tensioni elastiche provocate dalla nutazione dell’asse terrestre, alle pressioni dei materiali superficiali in continuo trasporto, alla pressione atmosferica, la cui distribuzione sulla superficie della terra è in continuo mutamento, in date condizioni anche a pressioni interne di gas sviluppati dai materiali più profondi ad alta temperatura; e chissà a quante altre da noi non prevedute.
In tanta complessità di cause come possiamo affermare, allo stato attuale delle nostre cognizioni, che ogni elemento della massa terrestre è assoggettato a pressione, e che questa necessariamente cresce colla profondità, anzi proporzionalmente [p. 207 alla profondità? Anche per semplice intuito noi comprendiamo che lo schiacciamento polare del Geoide deve produrre in alcuni punti della massa delle pressioni, in altri delle tensioni; l’attrazione lunare e solare che deve determinare nella massa non interamente rigida dalla Terra una piccola marea, provocherà nelle calotte sollevate una dilatazione, nella zona depressa una compressione; e così via.
Alle maggiori profondità, dove le deformazioni prodotte dalle forze esterne e dallo schiacciamento polare debbono essere meno sensibili, e dove la temperatura è molto elevata e il materiale dev’essere quindi più plastico, predominerà probabilmente la pressione e questa andrà crescendo colla profondità, ma con una legge che non ci è dato assegnare.
Quale può essere inoltre la conseguenza di questo aumento di pressione?
Tra tutte le sostanze note, la grande maggioranza, quando si fonde, cresce di volume, alla pressione normale, mentre poche, tra cui l’acqua, si contraggono. Ora la Termodinamica dimostra che per le prime, crescendo la pressione, la temperatura di fusione si innalza, mentre per le seconde si abbassa: l’esperienza ha pienamente confermato, entro limiti abbastanza alti di pressione, questa conseguenza teorica. Su di essa si fonda, come s’è detto, uno degli argomenti dei sostenitori della solidità della Terra: poichè tutte le rocce e i metalli appartengono alla prima e più vasta categoria, l’alta pressione negli strati profondi impedisce la fusione, perchè la temperatura dominante ad ogni profondità è minore di quella che sotto pressione altissima si richiederebbe per la fusione.
Tale conclusione non è giustificata, perchè noi non sappiamo nè come cresca la temperatura, nè come cresca la pressione. Inoltre Tamman ha dimostrato che a pressioni elevatissime, di molte migliaja di atmosfere, tutto le sostanze entrano nella seconda categoria, debbono, cioè come il ghiaccio contrarsi quando si fondono, e allora un aumento di pressione ne facilita la fusione. In alcuni punti poi può dominare anche, invece di una pressione, una tensione dilatante, che entro certi limiti favorirebbe pure la fusione.
Siamo quindi davanti non a una linea sola di possibilità, che si possa seguire con un solo processo deduttivo partendo dall’uno o dall’altro dei postulati sulla distribuzione della [p. 208 ﻿temperatura e della pressione, ma davanti a una rete di possibilità, a ogni nodo della quale bisogna ammettere un postulato nuovo per decidere lungo qual direzione si trovi la maggiore probabilità. Un tale procedimento non è scientifico; il solo fatto dell’aumento della temperatura colla profondità non ci autorizza quindi ad alcuna induzione plausibile sullo stato fisico in cui si trova il materiale terrestre alle profondità maggiori.
I vulcani: stato solido e stato liquido.
Ma, si dice, le lave dei vulcani sono documento di una fluidità attuale, già a profondità non molto grandi. La portata di questo argomento di fatto non si potrà comprendere ne’ suoi giusti limiti, finchè non sia ben definita la natura fisica e chimica delle lave. Solo in questi ultimi anni si è incominciato a gettare qualche barlume di luce in questo oscuro e complicatissimo problema della Chimica fisica.
Anzitutto si è constatato che non esiste una differenza essenziale fra le lave e tutte le altre rocce che, come le lave, sono costituite da silicati. Queste formano per così dire lo scheletro di tutto l’edificio di rocce sedimentari, che gli oceani, vaganti entro limiti variabilissimi nei diversi periodi geologici, hanno costrutto, a loro spese, sopra di esse; queste rappresentano quindi, se non il primo prodotto di consolidamento della superficie terrestre, una formazione pregeologica, probabilmente il prodotto di eruzioni vulcaniche estesissime verificatesi in quel primo periodo di consolidamento, sotto la pressione di un’atmosfera assai più pesante e calda dell’attuale. Stübel considera questa formazione pregeologica di rocce silicatiche (graniti, diabasi, gabbri ecc.) come una corazza che la Terra, ancor debole e in gran parte fluida, si sarebbe costrutta a propria difesa. Ma non solo chimicamente si afferma una parentela fra le lave vulcaniche e queste rocce, che dirò primitive. Queste infatti non sono rimaste inoperose dopo la loro formazione, ma hanno preso parte a tutte le successive evoluzioni della crosta superficiale della Terra; una parte talvolta passiva, limitandosi esse ad assecondare e seguire i corrugamenti che la crosta stessa ha subìto, talvolta però anche attiva, in quanto si risvegliò in esse una forza latente di espansione che le spinse attraverso gli strati sovrincombenti, [p. 209 ﻿sollevandoli a loro volta, spezzandoli, e penetrandoli profondamente fin quasi alla superficie. Furono vere eruzioni sotterranee, che si distinguono dalle vulcaniche solo per la circostanza, affatto fortuita, che non riuscirono a rompere la crosta fino ad aprirsi una uscita subaerea; il materiale perforante doveva essere fluido o pastoso e tutto pervaso da gas e vapori ad altissima tensione, precisamente come le lave, e raffreddandosi poi e indurendosi nelle nuove posizioni raggiunte fra gli strati superiori, hanno formato nuclei e diramazioni di rocce primitive entro rocce recenti, di costituzione chimica e fisica analoga a quella delle lave indurite e solo differente per la circostanza che l’indurimento si svolse non all’aria libera, in ambiente relativamente freddo, e con rapida emissione di gas, e vapori, ma in uno spazio chiuso e fra strati coibenti tanto pel calore che per le emissioni aeriformi. La presenza di queste rocce intrusive tra formazioni geologiche anche recenti è un fatto ormai comune pel geologo. Il loro studio, e il confronto colle rocce effusive dovute al consolidamento subaereo delle lave, ha servito a definire le une e le altre e tutte le rocce silicatiche nella loro entità fisica.
Secondo i moderni concetti esse non sono che miscele di soluzioni di sali, che raffreddandosi si sono successivamente precipitati in forma cristallina, o si sono consolidati in sostanza amorfa, vetrosa. La legge di precipitazione successiva dei diversi sali dipende dal loro diverso grado di solubilità l’uno nell’altro e negli acidi solventi, dalla rapidità del raffreddamento, dalla pressione, dalla presenza e permanenza più o meno completa e costante di gas e vapori, che compiono una misteriosa funzione di presenza, o catalitica, nel favorire la cristallizzazione, e che perciò furono chiamati da Fouqué e Michel-Lévy agenti mineralizzatori. Per un corpo chimicamente e fisicamente così complesso non si può parlare di un punto di fusione, cioè di una temperatura oltre la quale esso sia interamente liquido e al di sotto della quale sia interamente solido. La lava non si può cioè definire come una roccia fusa, ma come una miscela di rocce in parte fuse, in parte solide, e in cui è disciolta o diffusa una gran copia di gas e vapori che ne aumentano l’apparente fluidità.
D’altra parte poi, secondo i moderni concetti della fisica, nemmeno la lava indurita si può a rigore chiamare un corpo [p. 210 ﻿tutto solido, perchè contiene delle sostanze vetrose. Il vetro, come tutte le sostanze amorfe, non ha punto fisso di fusione, cioè una temperatura in cui incominci a liquefarsi, e che si mantenga fissa finchè tutta la massa è liquefatta; quando lo si riscalda incomincia a rammollirsi e il rammollimento si accentua via via che cresce la temperatura finchè, pur continuando a riscaldarsi, la massa diventa scorrevole. E inversamente, quando lo si raffredda, esso passa per gradi di fluidità sempre minore finchè si indurisce. Allo stesso modo un liquido si può raffreddare molto al di sotto della sua temperatura di congelazione, mantenersi cioè soprafuso a temperatura molto bassa, e, via via che questa si abbassa, esso diventa sempre più vischioso. Perciò le sostanze vetrose sono considerate, dopo le ricerche veramente rivoluzionarie di Tamman, come liquidi soprafusi. Solo le sostanze cristallizzate possono chiamarsi, dal punto di vista fisico, solide, perchè esse sole fondono a temperatura determinata e costante durante tutta la fusione, e assorbono delle calorie di fusione impiegate soltanto nel lavoro di disgregazione molecolare; e un liquido si può dire che solidifica solo quando si trasforma, a quella temperatura, e restituendo le calorie di fusione, in un corpo cristallizzato. Così l’acqua si consolida in ghiaccio, che è un corpo cristallino; ma l’acqua stessa si può mantenere soprafusa a temperature molto inferiori allo zero, specialmente sotto pressione elevatissima, e teoricamente noi possiamo ammettere che in tale stato di soprafusione potrebbe mantenersi anche a temperature bassissime, dove la vischiosità sarebbe tale, specialmente se la massa è assoggettata a una pressione molto forte, da darle l’aspetto di corpo solido. Si avrebbe cioè un vetro d’acqua.
Le rocce intrusive presentano un grado di cristallinità sempre molto maggiore delle effusive, essendo la pasta vetrosa, che cementa i cristalli, in proporzioni molto minori, fino a scomparire completamente, nel qual caso si hanno rocce intieramente cristalline. Questa diversa costituzione si può spiegare e col raffreddamento più o meno lento, in rapporto alla velocità di cristallizzazione, che è diversa nelle varie sostanze, e con particolari condizioni di pressione e temperatura, e colla diversa attività degli agenti mineralizzatori.
Si comprende quanta incertezza introducano questi nuovi concetti fisici relativi alla definizione stessa di corpo solido [p. 211 ﻿e liquido nella valutazione degli effetti che pressione e temperatura elevatissima possono portare nella costituzione dei materiali profondi. Dire che l’alta pressione abbassa o eleva la temperatura di fusione, vuol dire ora che essa tende a impedire o a favorire la cristallizzazione, non già a favorire o impedire la fluidità o scorrevolezza della sostanza.
Ma, tornando alle lave, noi possiamo ammettere che esse ci rappresentino lo stato, comunque si voglia definire fisicamente, in cui si trova la massa della Terra oltre una certa profondità, stato che nelle sue manifestazioni meccaniche (mobilità delle particelle, cedevolezza alle forze esterne, forza propria di espansione) può presentarsi come fluido.
Osserviamo che in una massa così mobile si può ragionevolmente parlare di pressione idrostatica: in essa si può ammettere cioè che la pressione cresca colla profondità, e, almeno in via approssimativa, come il peso della colonna sovrastante. D’altra parte in una massa siffatta, imbevuta di gas e vapori, debbono verificarsi, ammettiamo pure lentamente, dei moti convettivi che la rimescolano, ed eguagliano dopo lungo tempo la temperatura; in essa quindi la temperatura sarà presso a poco la stessa, o varierà assai lentamente colla profondità. Qui siamo assai probabilmente in un caso in cui la legge termodinamica dell’aumento della temperatura di fusione colla pressione ha il suo effetto. La pressione cresce rapidamente, mentre la temperatura rimane presso a poco costante: oltre una certa profondità la pressione è inconciliabile collo stato liquido a quella temperatura: tutti gli elementi della miscela magmatica si cristallizzano. Non possiamo quindi ammettere che quello stato di apparente fluidità si conservi indefinitamente fino alle parti più centrali; esso si limita da sè stesso, per le sue condizioni intrinseche, a uno spessore di non grande potenza, oltre il quale si ha un magma cristallizzato completamente.
Ci troviamo quindi davanti a due curiose contraddizioni dei sostenitori della solidità e della fluidità completa della Terra. I primi per dimostrare la necessità fisica della solidità ammettono un concetto di pressione idrostatica che è essenziale dello stato fluido; i secondi nell’ammettere la fluidità illimitata non tengono conto della pressione stessa che necessariamente la limita.
Possiamo concludere che nemmeno i fenomeni del vulcanesimo [p. 212 ci danno finora fermo lume per vedere nell’interna costituzione della Terra, anche a non grande profondità; o, se un barlume ci danno, è piuttosto nel rendere assai improbabile che lo stato di fluidità lavica si mantenga per intervalli verticali molto profondi.
I fatti astronomici.
Dunque i fatti terrestri su cui era basata l’ipotesi della fluidità interna della Terra possono conciliarsi anche coll’ipotesi della solidità. La discussione ci ha però condotto a riconoscere che la lotta fra le due ipotesi si risolve probabilmente in un equivoco nella definizione di solido e fluido, intendendosi nell’una la fluidità fisica, nell’altra la solidità meccanica. Un corpo può essere fisicamente liquido, in quanto non ha superato il punto di solidificazione, o lo ha superato senza cristallizzarsi, mantenendosi cioè soprafuso, ed essere nello stesso tempo meccanicamente solido in quanto ha una forma propria e unica sotto l’azione di determinate forze e reagisce elasticamente contro di esse.
Con tale distinzione la contraddizione, che pareva stridente, tra le due ipotesi può essere eliminata, e il fatto astronomico che la Terra nel suo complesso si comporta, quale sistema rotante soggetto alle attrazioni del Sole e della Luna, come un corpo solido, assume un significato molto più concreto. Ora possiamo dire: la Terra nel suo complesso è un corpo meccanicamente solido. Con questa definizione sono soddisfatte le esigenze astronomiche senza compromettere le esigenze fisiche e geologiche.
Ma rimane l’altro argomento (che possiamo far rientrare nel gruppo degli astronomici) dedotto dalla forma della Terra a favore della fluidità, e stavolta di una fluidità meccanica. Ora possiamo dire che anche questa deduzione non deriva necessariamente dal fatto della conservazione della forma ellissoidica del Geoide. Anche un corpo elastico tende ad assumere una forma d’equilibrio rispondente alle forze che lo sollecitano, e ogni trasporto di massa che avvenga su di esso, e che ne modificherebbe la forma esteriore, risveglia delle tensioni elastiche che tendono a ristabilire la forma primitiva. Se si calcola la deformazione di un suolo piano di roccia elastica sotto il peso di una massa, che si deposita in [p. 213 ﻿superficie lungo una zona, si trova che mentre si forma in superficie una cavità, la roccia sottostante si comprime, in modo che la maggior densità sotterranea compensa in buona parte, negli effetti della gravità esterna, il difetto di massa rappresentato dalla cavità stessa. Se poi la cavità si riempie d’acqua, che è una roccia di densità minore, il compenso può essere perfetto, cioè la superficie dell’acqua si dispone precisamente com’era il suolo prima della deformazione. Noi abbiamo qui un esempio di isostasi, verificato in una massa solida avente le proprietà elastiche delle rocce più compatte; e questo esempio risponde probabilmente al caso naturale della formazione e del progressivo affondamento di un bacino oceanico sotto il peso delle alluvioni che i fiumi vi accumulano.
Non possiamo poi dimenticare che nessun solido è rigorosamente tale, ma ha sempre un certo grado di plasticità, che è tanto più evidente quanto maggiore è la sua massa e più intense sono le forze che gli sono applicate. Un globo d’acciaio delle dimensioni della Terra, e come questa ad alta temperatura in quasi tutta la sua massa, è certamente plastico come, e forse più, della massa di un ghiacciaio, che pur fluisce come un liquido vischioso, accomodandosi a tutte le irregolarità del suo letto vallivo. Un siffatto globo sulla cui superficie si svolgessero, colla lentezza con cui si svolgono realmente sulla superficie del globo, demolizioni di rilievi e deposizione in punti lontani dei materiali detritici, si adatterebbe certamente a queste modificazioni in modo da conservare la forma d’equilibrio rispondente alla rotazione attorno ad un asse.
Note esperienze di Darwin e le delicatissime registrazioni dei sismografi moderni dimostrano la grande sensibilità, elastica o plastica, del suolo terrestre anche a piccoli spostamenti delle masse e forze superficiali. Il pendolo bifilare di Darwin segnalava anche piccoli spostamenti di una persona, che veniva a gravare su punti diversi, ma vicini, del pavimento; e i diagrammi del sismografo Vicentini a Padova segnalano una duplice oscillazione diurna, che alcuni attribuirebbero alla doppia oscillazione di marea sulla riva veneta.
﻿Le vibrazioni sismiche.
La Terra quindi, nel suo complesso, è un solido, nel senso meccanico della parola. I fenomeni vulcanici ci rivelano bensì la presenza anche di masse meccanicamente fluide, ma queste debbono necessariamente essere ristrette in bacini, in cellule, abbastanza limitate di estensione e di numero, da non influire sensibilmente sulle proprietà complessive del corpo terrestre.
Tale concezione della struttura interna del Geoide ricevette in questi ultimi anni il conforto di un nuovo argomento di fatto, dedotto dalle registrazioni sismografiche.
I sismografi più delicati ricevono le segnalazioni di terremoti lontanissimi, segnalazioni che essi registrano come oscillazioni di una linea che un indice sottilissimo traccia sopra una striscia di carta fatta scorrere da un meccanismo cronometrico. In questi diagrammi si rilevano alcune particolarità caratteristiche. Le ondulazioni non si succedono infatti in modo irregolare, ma si raggruppano in serie successive di onde ben distinte: cominciano dei tremiti piccolissimi, cui succedono, con o senza intervallo di quiete, altri tremiti più accentuati; quando questi vanno smorendo, entrano in campo delle ondulazioni più ampie e più lente, poi altre ancora ampie ma più rapide, e finalmente la perturbazione termina in una serie di oscillazioni più piccole fino alla quiete. Ora tutto porta a ritenere che i primi due gruppi di tremiti rappresentino delle onde elastiche propagatesi dal centro sismico allo strumento registratore lontanissimo, attraverso la massa della Terra, mentre le maggiori onde successive rappresenterebbero l’onda sismica che si propaga alla superficie. Così, se una piccola bomba si fa scoppiare in un lago a qualche profondità sotto la superficie, essa dà origine a onde elastiche sonore, che si propagano in tutta la massa, e nello stesso tempo a onde superficiali, che si propagano per gravità e con velocità molto minore. La distribuzione dei tremiti preliminari in due gruppi distinti suggerisce poi spontanea l’idea che essi rappresentino i due gruppi d’onde elastiche possibili in un corpo solido, cioè le onde longitudinali, in cui le particelle vibrano nel senso della propagazione dell’onda (come onde sonore nell’aria), e le onde trasversali, in cui le particelle vibrano normalmente alla direzione di propagazione (come le onde luminose nell’etere). Noi dobbiamo ammettere che questi [p. 215 ﻿due gruppi d’onde elastiche partano contemporaneamente dal centro sismico, ma poichè il primo gruppo si propaga, come la teoria e l’esperienza dimostrano, più rapidamente del secondo, essi si separano lungo il viaggio attraverso la massa terrestre, arrivando i primi tremiti in anticipazione sui secondi, e tanto più quanto più lungo è il cammino percorso, cioè quanto maggiore è la distanza del centro sismico dalla stazione registratrice. Infatti la durata dell’intervallo tra l’inizio dei primi e l’inizio dei secondi tremiti è uno dei criteri su cui si basano i sismologi per giudicare della distanza del centro sismico da cui la perturbazione è partita. Che queste vibrazioni preliminari non si propaghino lungo la superficie, come le onde principali, ma attraverso il globo, approssimativamente lungo la corda che unisce il punto di partenza al punto di arrivo, lo proverebbe il fatto che i tempi impiegati dai primi tremiti per giungere a stazioni collocate a distanze diverse dal centro d’origine sono quasi esattamente proporzionali alle lunghezze delle corde che uniscono il centro alle stazioni stesse. Pei secondi tremiti questa legge di proporzionalità è verificata meno rigorosamente, ma con approssimazione ancora sufficiente per farci ammettere che la coincidenza non è fortuita. I primi tremiti attraverserebbero un diametro terrestre in circa 23 minuti, i secondi in circa 33 ½; quindi con velocità medie rispettivamente di oltre 9 e oltre 6 chilometri al secondo.
${\sqrt[]{\frac {E}{d}}}$
$E$
$d$
$E$
Anche la velocità di propagazione delle onde longitudinali è espressa da ${\sqrt[]{\frac {E_{0}}{d}}}$ dove $E_{0}$ rappresenta il coefficiente dell’elasticità di volume, cioè la resistenza che oppone la materia a subire variazioni di volume. Nagaoka determinò i valori di $E$ e $d$ per un gran numero di rocce di tutte le epoche geologiche, dalle arcaiche alle cenozoiche, e verificò che in generale la densità cresce coll’antichità della roccia, ma che i coefficienti $E$ crescono in proporzione molto più rapida, cosicchè la velocità di propagazione delle onde in una roccia arcaica è molto maggiore che in una roccia recente. Mentre, p. es., in uno scisto arcaico la velocità delle onde longitudinali era di oltre 7 chilometri al secondo, in un’arenaria del terziario non era che di circa 2. Già questo fatto ci dice che, nella zona profonda delle rocce primitive, il grado di rigidità è molto maggiore che negli strati superficiali. Ma le velocità dei primi tremiti è in media di oltre 9 chilometri, e, poichè la densità nel nucleo centrale dev’essere molto maggiore, più che doppia, di quella delle rocce arcaiche più compatte, dobbiamo ammettere che ivi anche il valore di $E_{0}$ sia sensibilmente più che doppio di quello delle rocce stesse.
Questa forte rigidità, di forma e di volume, dei materiali costitutivi della massa centrale della Terra, e la grande velocità, che ne consegue, della propagazione delle onde elastiche ci danno un indizio (noto, un semplice indizio) della natura dei materiali stessi. I corpi più densi, e nei quali la velocità del suono è maggiore, sono i metalli pesanti. È probabile quindi che il nucleo terrestre sia metallico.
Ma l’osservazione ci porta spontaneamente ad altre induzioni probabili, vivamente rappresentative della interna costituzione del nostro globo. Abbiamo veduto che la velocità di propagazione delle onde elastiche è la stessa lungo tutte le corde, qualunque sia la loro lunghezza, purchè non siano molto brevi. Questo fatto ci dice che il cammino di propagazione dal centro, quando sia sensibilmente inclinato rispetto alla superficie, cioè abbastanza penetrante in profondità, si compie per la maggior parte entro il nucleo centrale metallico, più denso e più rigido, o almeno entro rocce molte compatte, dove la velocità d’onda sia grandissima. La crosta superficiale di rocce, nelle quali tale velocità è molto minore, deve rappresentare una frazione molto piccola della massa, perchè le onde, [p. 217 ﻿che l’attraversano con inclinazione diversa, non subiscono un ritardo sensibilmente diverso.
Inoltre questa eguaglianza della velocità di onde che attraversano il nucleo a distanze diverso dal centro ci dice che entro il nucleo stesso i due rapporti $E:d$ sono costanti. Ciò si può spiegare sia ammettendo che $E$ e $d$ siano costanti lungo ogni raggio, sia ammettendo che essi variino nello stesso rapporto. Ma, poichè $E$ è espresso da un numero immensamente più grande di quello che esprime $d$, a variazioni anche sensibili di $E$ debbono, anche in questa seconda ipotesi, corrispondere variazioni molto piccole di $d$. La densità quindi o è costante o varia molto lentamente lungo la maggior parte del raggio.
La densità della Terra.
Questa conclusione contraddirebbe a quella cui furono condotti geodeti autorevolissimi da postulati che a prima vista sembrano più naturali. Helmert, ammettendo che la densità vada crescendo con legge continua dalla superficie al centro, e che la densità superficiale sia 2,8 e la media 5,6, dimostrò che le leggi del movimento della Luna, la precessione e la nutazione, imporrebbero per la densità al centro il valore 11,6.
Ma Wiechert, or sono dieci anni, ritenne inammissibile tale conclusione, e la premessa da cui deriva. Secondo lui nei solidi, anche a pressione normale, le molecole sono già tenute dalle reciproche attrazioni così strettamente accostate l’una all’altra, e debbono considerarsi come corpi così rigidi, che non è ammissibile un ulteriore sensibile avvicinamento, che solo può spiegare un notevole aumento di densità: notiamo che secondo la teoria di Helmert la densità centrale sarebbe doppia della media e quadrupla della superficiale. Wiechert ritiene più naturale l’ammettere che la differenza tra la densità media e la densità superficiale sia dovuta non a differenza di densità della stessa materia, ma a differenza di materia; che cioè la Terra sia costituita da un nucleo centrale, di densità presso a poco costante e superiore a 5,6, avvolto da un mantello di densità pure presso a poco costante e prossima a 3. Alla superficie di separazione tra le due parti vi sarebbe un salto brusco di densità. Poichè di sostanze aventi densità superiori a 5,6 non vi sarebbero che i metalli, le cui [p. 218 ﻿densità incominciano da circa 7, Wiechert ammette che il nucleo è costituito di metalli. Nel supposto poi che esso abbia, come tutto il Geoide, forma di ellissoide di rivoluzione, egli dimostra che, perchè la densità media risulti di 5,6, e siano soddisfatte le leggi della precessione degli equinozi e della nutazione, esso deve avere un raggio medio che sia circa i $^{4}\!/_{5}$ del raggio terrestre, e una densità di 7,8, che è assai prossima alla densità dei ferro; quindi il nucleo sarebbe costituito principalmente di ferro.
I Meteoriti.
Tale conclusione, benchè subordinata a premesse che non possono essere accolte senza riserve o restrizioni, trova una conferma significativa, oltre che nei ricordati fenomeni sismici, nella costituzione di altri corpi celesti, che lo spazio ci spedisce come campioni de’ suoi prodotti: i meteoriti. Noi sappiamo che questi corpi d’origine cosmica si distinguono in due classi principali: i meteoriti metallici (olosideriti) e i meteoriti rocciosi (criptosideriti), riuniti però da classi intermedie.
I primi sono costituiti esclusivamente di ferro, con nichel e bronzo, o almeno il ferro vi rappresenta l’elemento dominante; i secondi sono costituiti da rocce silicatiche, con particelle microscopiche di ferro, e queste rocce sono raggruppamenti di minerali che tutti si incontrano nelle rocce terrestri: lherzolite, feldspati, augite, olivina, anortite, ecc., cosicchè la loro composizione ricorda quella di alcune lave. Daubrée riuscì a ottenere dei meteoriti artificiali scaldando al calor rosso una miscela di minerali terrestri, e dimostrò che alcuni meteoriti rocciosi derivano da meteoriti metallici per ossidazione avanzata.
La Terra, secondo le prove di fatto e le induzioni plausibili precedentemente svolte, non sarebbe quindi che un grande meteorite, metallico nel suo interno, roccioso alla superficie. Questa separazione degli elementi costitutivi si spiega facilmente, quando si ammetta che la Terra abbia attraversato un periodo di fluidità. In quella fase essa era una immensa massa di metallo fuso, con grande predominio del ferro, ma in cui erano mescolate molte impurità, e disciolti molti gas e vapori, che l’avvolgevano anche in una densa atmosfera. Tra questi gas era predominante l’ossigeno, che determinò un processo di ossidazione del ferro e delle sostanze ad esso commiste.
Per questa ossidazione di materiali diversi, e per altre combinazioni chimiche, le impurità della massa si eliminavano via via, formandosi alla superficie uno strato prima fluido, e poi consolidato in roccia, la cui costituzione è identica a quella dei meteoriti rocciosi. Così si sarebbe formata una crosta rocciosa attorno alla massa metallica, che era andata raffinandosi in questo processo di eliminazione; processo analogo a quello di raffinamento della ghisa colla corrente d’aria, negli alti forni, dove il metallo si copre di scorie e loppe prodotte dall’ossidazione degli elementi commisti o combinati col ferro. L’esperienza di Daubrée ha messo in evidenza un’analoga trasformazione per ossidazione dei meteoriti ferrici in meteoriti silicatici.
Conclusione.
In principio ho detto che noi non potremo mai affermare d’aver trovato la soluzione definitiva del problema della Terra, perchè tale soluzione non potrebbe essere basata che su prove di fatto le quali sono e saranno sempre inafferrabili. Ho aggiunto però che, in ogni grado di evoluzione della scienza, si può pretendere a una soluzione plausibile, che sia fondata sui fatti che si sono potuti constatare e che non sia in contraddizione coi principi generali che la scienza, in quel momento, può affermare. Noi siamo appunto stati condotti con postulati di fatto e con processi logici che, allo stato attuale della scienza, ci paiono rigorosi, a quella soluzione che pel momento sembra la più plausibile. Non dobbiamo nasconderci però che i fatti che ci hanno servito di base sono [p. 220 ﻿assai scarsi, raccolti tutti alla superficie o entro uno strato sottilissimo superficiale, e che i principi fisici e chimici introdotti nel ragionamento sono dedotti generalmente da esperienze compiute in condizioni che possono essere molto diverse da quelle dominanti entro le profondità della massa terrestre. Lo studio dei fenomeni e dei prodotti vulcanici, iniziato solo in questi ultimi anni, coi procedimenti della nuova Chimica fisica, ha rapidamente sconvolto tutti i concetti che si avevano intorno alla costituzione delle lave e di tutte le rocce silicatiche e noi abbiamo veduto quale contraccolpo queste nuove idee abbiano avuto sulla teoria della Terra. D’altra parte il concetto di stato fisico di un corpo ha assunto, per opera specialmente di Tamman, e per l’uso di pressioni e di temperature che pochi anni sono parevano irraggiungibili, una determinazione assai diversa da quella che si riteneva definitiva; e noi abbiamo veduto quanta maggiore determinatezza nella rappresentazione delle condizioni interne del globo abbia introdotto questa definizione più ampia. Noi non possiamo escludere che le nuove vie della scienza non aprano, anche presto, orizzonti affatto nuovi nel problema che ci occupa, tanto nel campo dei fatti che nel campo delle teorie. Lo studio dei fenomeni sismici è razionalmente iniziato solo da pochi anni, e ancora con ¡strumenti che non rispondono rigorosamente a tutti gli elementi dei fenomeni stessi: le leggi sismiche accennate sopra non sono quindi che leggi preventive, le quali da ulteriori scoperte potranno essere radicalmente modificate. Finalmente non sappiamo quali sorprese ci potranno riservare le nuove ricerche sulle sostanze radioattive, pur dovendo accogliere per ora con un sorriso di scetticismo le ardite teorie, che vorrebbero attribuire al radio anche il calore terrestre.
Per ora la risposta più plausibile che possiamo dare alla domanda: Cos’è la Terra? è, a mio avviso, quella cui siamo arrivati col nostro rapido ragionamento: La Terra è un meteorite, e precisamente un olosiderite nell’interno, e un criptosiderite all’esterno. Noi abitiamo sulle scorie di un alto forno che si raffredda; è questa, diciamolo con modestia,
l’aiuola che ci fà tanto feroci.
Università di Padova
Luigi De Marchi