ELLEN P. METZGER
INTRODUZIONE
Scopo: Gli studenti realizzeranno un modello di carta che illustra il concetto di diffusione del fondo marino e lo sviluppo di “strisce” magnetiche simmetriche su entrambi i lati di un centro di diffusione del medio oceano.
Gruppo di studenti suggerito: Gli studenti lavorano come individui.
Integrazione del quadro: Temi: Modelli di cambiamento: nel corso del tempo, nuovi fondali marini vengono creati dalla risalita di magma nei centri di diffusione del medio-oceano; i vecchi fondali oceanici vengono distrutti dalla subduzione nelle trincee marine profonde. Abilità e processi scientifici: Inferenza da un modello. Integrazione con altre discipline: Scienze fisiche: magneti dipolari e campi magnetici; convezione. Oceanografia: topografia del fondo dell’oceano. Scienze della vita: animali trovati nelle bocchette di acqua calda sul fondo dell’oceano.
Attività correlate: Montagne sottomarine.
Informazioni di base
Prima di svolgere questa attività, gli studenti dovrebbero avere familiarità con:
1) i tipi di confini tra le placche litosferiche;
2) le caratteristiche del fondo dell’oceano;
3) il concetto di diffusione del fondo del mare; e
4) la natura del campo magnetico terrestre e il fatto che ha invertito la sua polarità molte volte in passato.
Gli strati della Terra La Terra è un pianeta a strati composto da crosta, mantello e nucleo (Fig. 1). I 100 km esterni circa sono uno strato rigido chiamato litosfera, che è costituito dalla crosta e dal mantello superiore. La litosfera è suddivisa in una serie di grandi e piccole placche che si muovono sopra l’astenosfera, uno strato plastico nel mantello superiore. I terremoti e i vulcani sono concentrati ai confini tra le placche litosferiche. Si pensa che il movimento delle placche sia causato da correnti di convezione nel mantello (Fig. 2), anche se il meccanismo esatto non è noto. Le placche litosferiche si muovono a tassi di pochi cm all’anno.
Tipi di confini di placca Ci sono tre tipi di confini tra le placche litosferiche (Fig. 3):
1) confine convergente Le placche convergono, o si uniscono. Se una placca di litosfera oceanica si scontra con una litosfera continentale più spessa e meno densa, la placca oceanica più densa si immerge sotto il continente in una zona di subduzione (Fig. 2).
2) confine divergente due placche divergono, o si allontanano e si forma nuova crosta o litosfera.
3) confine di faglia trasformata le placche scivolano l’una sull’altra senza creazione o distruzione di litosfera.
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Il fondo dell’oceano Una mappa del fondo dell’oceano mostra una varietà di caratteristiche topografiche: pianure piatte, lunghe catene di montagne e profonde fosse. Le dorsali medio-oceaniche fanno parte di catene di montagne lunghe circa 84.000 km. La dorsale medio-atlantica è la catena montuosa più lunga della Terra. Queste dorsali sono centri di diffusione o confini di placca divergenti dove la risalita di magma dal mantello crea nuovi fondali oceanici.
Le trincee di mare profondo sono bacini lunghi e stretti che si estendono per 8-11 km sotto il livello del mare. Le trincee si sviluppano adiacenti alle zone di subduzione, dove la litosfera oceanica scivola indietro nel mantello (Fig. 2).
Deriva dei continenti L’idea che i continenti si muovano è vecchia; Alfred Wegener, un meteorologo tedesco, propose l’ipotesi della deriva dei continenti nei primi anni del 1900. Wegener ha usato diverse linee di prova per sostenere la sua idea che i continenti erano una volta uniti in un supercontinente chiamato Pangea e da allora si sono allontanati l’uno dall’altro: (1) la somiglianza nella forma dei continenti, come se una volta si incastrassero insieme come i pezzi di un puzzle; (2) la presenza di fossili come il Glossopteris, una felce fossile le cui spore non potevano attraversare ampi oceani, sui continenti ora ampiamente separati di Africa, Australia e India; (3) la presenza di depositi glaciali sui continenti che ora si trovano vicino all’equatore; e (4) la somiglianza delle sequenze di rocce su diversi continenti. Return to top
L’ipotesi di Wegener della deriva dei continenti non fu ampiamente accettata perché non aveva alcun meccanismo per spiegare come si muovono i continenti. L’idea non fu ripresa fino a quando la nuova tecnologia rese possibile l’esplorazione dei fondali oceanici.
Diffusione dei fondali marini Nei primi anni ’60, il geologo di Princeton Harry Hess propose l’ipotesi della diffusione dei fondali marini, in cui il magma basaltico dal mantello sale per creare nuovi fondali oceanici nelle dorsali medio-oceaniche. Su ogni lato della dorsale, il fondo marino si sposta dalla dorsale verso le fosse profonde, dove viene subdotto e riciclato di nuovo nel mantello (Fig. 2). Una prova dell’ipotesi della diffusione dei fondali marini è stata fornita dagli studi sul magnetismo terrestre.
Il campo magnetico terrestre Si pensa che il campo magnetico terrestre derivi dal movimento del ferro liquido nel nucleo esterno mentre il pianeta ruota. Il campo si comporta come se un magnete permanente fosse situato vicino al centro della Terra, inclinato di circa 11 gradi dall’asse geografico di rotazione (Fig. 4). Si noti che il nord magnetico (come misurato da una bussola) differisce dal nord geografico, che corrisponde all’asse di rotazione del pianeta.
Posizionando un magnete a barra sotto un pezzo di carta con limatura di ferro su di esso, si creerà un modello come le limature si allineano con il campo magnetico generato dal magnete. Il campo magnetico della Terra è simile a quello generato da un semplice magnete a barra. Attualmente, le linee di forza del campo magnetico terrestre sono disposte come mostrato nella figura 4; l’orientamento attuale del campo magnetico terrestre è indicato come polarità normale. All’inizio degli anni ’60, i geofisici hanno scoperto che il campo magnetico terrestre si inverte periodicamente, cioè il polo magnetico nord diventa il polo sud e viceversa. Quindi, la Terra ha sperimentato periodi di polarità invertita alternati a periodi (come ora) di polarità normale. Anche se il campo magnetico si inverte in questi periodi, la Terra fisica non si muove o cambia il suo senso di rotazione.
Le lave basaltiche contengono minerali ricchi di ferro come la magnetite che agiscono come bussole. Cioè, quando questi minerali ricchi di ferro si raffreddano sotto il loro punto di Curie, si magnetizzano nella direzione del campo magnetico circostante. Gli studi del magnetismo antico (paleomagnetismo) registrati in rocce di età diverse forniscono una registrazione di quando il campo magnetico terrestre ha invertito la sua polarità. Return to top
Durante la seconda guerra mondiale, furono sviluppati strumenti sensibili chiamati magnetometri per aiutare a rilevare i sottomarini con scafo in acciaio. Quando i ricercatori hanno usato i magnetometri per studiare il fondo dell’oceano, hanno scoperto un modello sorprendente. Le misurazioni delle variazioni magnetiche hanno mostrato che, in molte aree, bande alternate di rocce che registrano la polarità normale e inversa erano disposte simmetricamente intorno alle dorsali medio-oceaniche (Fig. 5).
Nel 1963, F. Vine e D.H. Matthews hanno ragionato sul fatto che, quando il magma basaltico sale per formare nuovi fondali oceanici in un centro di diffusione medio-oceanico, registra la polarità del campo magnetico esistente al momento della cristallizzazione del magma. Come la diffusione tira la nuova crosta oceanica a parte, strisce di circa la stessa dimensione dovrebbe essere portato via dalla cresta su ogni lato (Fig. 5). Il magma basaltico che si forma sulle dorsali medio-oceaniche serve come una sorta di “registratore”, registrando il campo magnetico della Terra mentre si inverte nel tempo. Se questa idea è corretta, strisce alternate di polarità normale e invertita dovrebbero essere disposte simmetricamente sui centri di diffusione del medio-oceano. La scoperta di tali strisce magnetiche ha fornito una prova potente che la diffusione del fondo marino si verifica.
L’età del fondo marino supporta anche la diffusione del fondo marino. Se la diffusione dei fondali marini funziona, la crosta oceanica più giovane si dovrebbe trovare in corrispondenza delle dorsali e la crosta progressivamente più vecchia si dovrebbe trovare allontanandosi dalle dorsali verso i continenti. Questo è il caso. Il più antico fondale oceanico conosciuto è datato a circa 200 milioni di anni, il che indica che i fondali oceanici più vecchi sono stati distrutti attraverso la subduzione nelle fosse oceaniche profonde.
C’è voluta l’esplorazione dei fondali oceanici per scoprire la diffusione dei fondali marini, il meccanismo per il movimento dei continenti che mancava ad Alfred Wegener. L’ipotesi della deriva dei continenti ottenne un rinnovato interesse e, quando combinata con la diffusione dei fondali marini, portò alla teoria della tettonica a placche. La storia del pensiero sul movimento dei continenti fornisce un meraviglioso esempio di come ipotesi come la deriva dei continenti e la diffusione dei fondali marini siano accuratamente testate prima che emerga una nuova teoria. Per una panoramica della storia della tettonica a placche, vedi Tarbuck e Lutgens (1994). Return to top
MATERIALI (Fonti indicate sotto)
Mappe del fondo dell’oceano
Mappa “Questo pianeta dinamico”
Per ogni studente:
2 fogli di carta da raccoglitore 8,5 x 11″ (il cartone delle cartelle potrebbe essere usato al posto della carta per fare un modello più robusto)
forbici
righello
nastro adesivo trasparente
nastro adesivo
matite colorate o pastelli Suggerimento: Realizzate il vostro modello in anticipo per mostrarlo agli studenti prima che realizzino i loro modelli.
SORTEGGI DI MATERIALI
Le mappe dei fondali di Artico, Atlantico, Pacifico e Oceano Indiano sono disponibili presso la National Geographic Society, Educational Services, P.O. Box 98019, Washington, D.C., 20090-8019; telefono 1-800-368-2728. Ogni mappa costa $10.90.
Da Fisher-EMD: (1) Mappa fosforescente del fondo dell’oceano: misura 24″ X 24″ ($10.60); (2) mappa della dorsale medio-atlantica in formato da parete ($27.40). Ordinare da Fisher Scientific-EMD, 4901 W. Lemoyne Street, Chicago, IL 60651; telefono 1-800-955-1177.
“Questo pianeta dinamico: World Map of Volcanoes, Earthquakes, and Plate Tectonics” misura 150 x 100 cm; sviluppato dalla United States Geological Survey e dalla Smithsonian Institution. Ordinare da USGS Map and Book Distribution, P.O. Box 25286, Federal Center, Bldg. 810, Denver, CO 80225; telefono 303-236-7477. Il prezzo è di $3.00. Return to top
PROCESSIONI
Seguite i passi sui fogli delle attività degli studenti. Gli studenti possono misurare il posizionamento delle zone di subduzione e della dorsale medio-oceanica per il loro modello come mostrato nella Figura 1 nei fogli di attività per studenti, oppure potete dare loro il modello già pronto fornito. Potete copiare il modello su una cartellina o su un cartone simile per ottenere un modello più robusto.
Modifiche: Per i bambini più piccoli, omettere la spiegazione delle bande magnetiche e delle inversioni di polarità. Usate il modello per mostrare loro la creazione di nuovi fondali nei centri di diffusione e la scomparsa dei vecchi fondali nelle zone di subduzione. Potete tagliare i pezzi del modello di carta per gli studenti in anticipo, o usare un modello che avete fatto voi come dimostrazione per la classe.
Estensioni: I sistemi di sfiati idrotermali, chiamati fumatori bianchi e neri, che si trovano nei centri di diffusione oceanica sono una delle scoperte più eccitanti fatte durante gli ultimi quindici anni di esplorazione marina. Questi fumatori sono i siti di depositi minerali ed ecosistemi unici che esistono nella totale oscurità. Integrare un’unità sulla diffusione dei fondali marini e la topografia del fondo dell’oceano con la biologia facendo ricercare agli studenti le creature uniche associate alle comunità di sfiatatoi idrotermali. Alcuni riferimenti suggeriti sono forniti di seguito.
REFERENZE E RISORSE
NSTA/FEMA, 1988, Tremor Troop Earthquakes: National Science Teachers’ Association, Washington, D.C.
Tarbuck, E. J. and Lutgens, F. K., 1994, Earth Science (7th ed.), Macmillan Publishing Company, p. 207-242.
Informazioni generali:
Yulsman, T., 1993, Charting Earth’s Final Frontier: Terra, vol. 2, no. 4 (luglio 1993), p. 36-41. Discute la mappatura di vulcani, faglie, canyon e flussi di lava sul fondo dell’oceano usando un dispositivo sonar a scansione laterale chiamato GLORIA (Geologic Long-Range Inclined Asdic).
La pubblicazione di interesse generale “Marine Geology: Research Beneath the Sea” dello United States Geological Survey fornisce una panoramica dei metodi e delle attrezzature che i geologi marini impiegano per studiare il fondo dell’oceano. L’opuscolo descrive gli studi sulla topografia dei fondali oceanici, i sedimenti e le risorse minerarie. Ordina fino a 50 copie gratuite (usa la carta intestata della scuola) dall’United States Geological Survey, Box 25286, Denver Federal Center, Bldg. 810, Denver CO 80225; telefono (303)236-7476.
Per bambini più piccoli:
Cole, J., 1992, The Magic School Bus on the Ocean Floor: Scholastic, Inc., New York. I bambini della classe della signora Frizzle fanno una gita sul fondo dell’oceano per studiare la vita animale e vegetale, uno sfiato di acqua calda e una barriera corallina (per bambini delle scuole elementari).
Sui sistemi idrotermali del mare profondo:
Ballard, R. D. e Grassle, J. F., 1979, Incredible World of the Deep-sea Rifts: National Geographic, v. 156, No. 5 (Nov. 1979), p. 680-705.
Lutz, R. A. and Hessler, R. R., 1983, Life Without Sunlight – Biological Communities of Deep-Sea Hydrothermal Vents: The Science Teacher, v. 50, No. 3 (March 1983), p. 22-29.
Tunnicliffe, V., 1992, Hydrothermal-Vent Communities of the Deep Sea: American Scientist, v. 80 (luglio-agosto 1992), p. 336-349. Return to top
Video:
“Treasures of Neptune: Klondike on the Ocean Floor” ($149.00; 26 min). Esamina la relazione tra la tettonica a placche e i depositi minerari marini; mostra la mappatura del fondo dell’oceano ed esamina i sistemi di recupero delle risorse marine, tra cui pale e pale subacquee e “aspirapolvere” giganti. Ordinare da Films for the Humanities & Sciences, P.O. Box 2053; Princeton, N. J. 08543-2053; telefono 1-800-257-5126. “The Last Frontier on Earth” ($79.00; 26 min.). mostra come gli scienziati stanno esplorando i fondali marini usando la mappatura Side Scan Sonar e la trivellazione in acque profonde. Ordina da: Brittanica Learning Materials, Customer Service, 310 South Michigan Avenue, Chicago, IL 60604-9839; telefono 1-800-554-9862.
“Physical Oceanography” ($59.95; 19 min.). Descrive i metodi di esplorazione degli oceani; l’interazione degli oceani con la biosfera, la litosfera e l’atmosfera per creare un ambiente unico; e le tre caratteristiche principali degli oceani: la loro chimica, la topografia e il movimento dell’acqua. Ordina da Scott Resources, P.O. Box 2121K, Ft. Collins, CO, 80522; telefono 1-800-289-9299.
Slides:
“Undersea Exploration” ($16.00 per 22 diapositive). Questo set illustra la ricerca sottomarina utilizzando sommergibili d’acqua profonda e veicoli azionati a distanza per studiare i sistemi di fratture del fondo dell’oceano. Include foto di fumatori neri, vermi tubolari e attrezzature usate dagli oceanografi. Ordina dall’American Geophysical Union, Attn: Ordini, 2000 Florida Avenue, N.W., Washington, D.C. 20009; telefono 1-800-966-2481.
Alcune attività correlate:
Il modulo Crustal Evolution Education (CEEP), “How Fast Is the Ocean Floor Moving?”è stato sviluppato dalla National Association of Geology Teachers. In questo modulo gli studenti esaminano i dati dei sedimenti sul fondo dell’oceano, determinano se i dati supportano la teoria della diffusione del fondo del mare e calcolano il tasso di diffusione dell’East Pacific Rise. Altri moduli CEEP relativi al fondo dell’oceano includono: “Placche litosferiche e topografia dei bacini oceanici”; “Microfossili, sedimenti e diffusione del fondo marino”; “Movimento del fondo dell’Oceano Pacifico”; “Un mistero del fondo marino: Mapping Polarity Reversals”; e “Plotting the Shape of the Ocean Floor”. Ognuno di questi moduli è disponibile come pacchetto di classe che include una guida per l’insegnante e 30 libretti di indagine per gli studenti e costa 23,50 dollari. Ordina da Ward’s Natural Science Establishment, Inc., 5100 West Henrietta Road, P.O. Box 92912, Rochester, New York 14692-9012; telefono 1-800-962-2260.
GLOSSARIO
astenosfera una parte del mantello che sta sotto la litosfera. Questa zona è costituita da roccia facilmente deformabile e in alcune regioni raggiunge una profondità di 700 km.
Deriva continentale La prima ipotesi che propone grandi movimenti orizzontali dei continenti. Questa idea è stata sostituita dalla teoria della tettonica a placche.
Confine di placca convergente un confine tra due placche litosferiche che si muovono una verso l’altra. Tali confini sono segnati da subduzione, terremoti, vulcani e costruzione di montagne.
Punto di Curie la temperatura (circa 580 gradi C) al di sopra della quale una roccia perde il suo magnetismo.
Tracce marine profonde bacini lunghi, stretti e molto profondi (fino a 11 km) orientati parallelamente ai continenti e associati alla subduzione della litosfera oceanica.
confine di placca divergente un confine tra due placche che si allontanano l’una dall’altra; una nuova litosfera si crea tra le placche in diffusione.
litosfera lo strato rigido e più esterno della Terra; comprende la crosta e il mantello superiore ed è spesso circa 100 km.
dorsale medio-oceanica una catena montuosa continua sul fondo di tutti i principali bacini oceanici che segna il luogo in cui vengono creati nuovi fondali oceanici quando due placche litosferiche si allontanano l’una dall’altra.
polarità normale un campo magnetico che ha la stessa direzione di quello attuale della Terra.
paleomagnetismo la magnetizzazione permanente registrata nelle rocce che permette di ricostruire l’antico campo magnetico della Terra.
Pangaea o Pangea il “supercontinente” proposto che ha iniziato a separarsi 200 milioni di anni fa per formare gli attuali continenti.
Tettonica a placche la teoria che propone che la litosfera della Terra sia suddivisa in placche che si muovono su uno strato plastico nel mantello. Le interazioni tra le placche producono terremoti, vulcani e montagne.
polarità invertita un campo magnetico con direzione opposta a quella del campo attuale della Terra.
confine di placca trasformato un confine tra placche della litosfera che scivolano l’una sull’altra.
diffusione dei fondali marini un’ipotesi, proposta all’inizio degli anni ’60, secondo la quale si creano nuovi fondali oceanici quando due placche si allontanano l’una dall’altra in corrispondenza delle dorsali medio-oceaniche.
zona di subduzione una zona lunga e stretta dove una placca litosferica scende sotto un’altra.Ritorna all’inizio
UN MODELLO DI SPREADING DEL FONDO MARINO
INTRODUZIONE: La creazione di nuovo fondo marino nei centri di spreading del medio-oceano e la sua distruzione nelle zone di subduzione è uno dei molti cicli che fanno sì che la Terra sperimenti un cambiamento costante.
SCOPO: Lo scopo di questa attività è di fare un semplice modello che mostri l’evoluzione della crosta oceanica attraverso la diffusione dei fondali marini e la subduzione.
MATERIALI:
2 fogli di carta 8.5″ x 11″ (1 foglio può essere sostituito da cartone)
righello
matite colorate o pastelli
forbici
nastro adesivo trasparente
nastro adesivo
PROCESSIONI: Se il vostro insegnante vi dà un modello già pronto per questa attività, saltate i passi 1-4.
1) Mettete un foglio di carta per raccoglitori in modo che il lato lungo sia verso di voi (Fig. 1).
2) Tracciate una linea verticale al centro del foglio con un’altezza di 11,5 cm lasciando 5 cm su ogni lato della linea. Questa linea rappresenta un centro di diffusione dell’oceano medio (Vedi Figura 1).
3) Disegna una seconda linea verticale a destra della linea centrale in modo che si trovi a 3 cm dal bordo destro del foglio. Questa linea rappresenta una zona di subduzione.
4) Disegna una terza linea verticale a sinistra della linea centrale in modo che si trovi a 3 cm dal bordo sinistro del foglio. Questa linea rappresenta un’altra zona di subduzione. Quando hai finito, il tuo pezzo di carta dovrebbe assomigliare al diagramma della figura 1.
Etichetta la dorsale medio-oceanica e le zone di subduzione.
5) Con un paio di forbici, taglia le linee verticali in modo che ci siano tre fessure sulla carta tutte della stessa altezza e parallele tra loro. Per rinforzare le fessure che hai fatto, metti del nastro adesivo sopra ognuna di esse e ritaglia di nuovo la fessura attraverso il nastro.
6) Sul secondo foglio di carta disegna 11 bande ognuna di 2,54 cm (1″ di larghezza) perpendicolari al bordo lungo della carta.
7) Scegli un colore per rappresentare la polarità normale e un secondo per rappresentare la polarità inversa. Colora le bande alternate per rappresentare i periodi di polarità normale e inversa. Colora la banda all’estrema sinistra come polarità invertita.
8) Taglia la carta a metà parallelamente al bordo lungo per ottenere due strisce di carta come mostrato nella figura 2. Segna le bande su ogni striscia con delle frecce per indicare i periodi alternati di polarità normale (freccia in alto) e invertita (freccia in basso). Torna all’inizio
9) Inserisci un’estremità di ogni striscia di carta attraverso la linea centrale di diffusione sul tuo primo pezzo di carta (vedi Figura 3).
10) Tira ogni striscia di carta verso le fessure più vicine ai bordi della carta (le zone di subduzione). Nastro ogni striscia per fare un anello come mostrato nella figura 3.
11) Fate circolare i nastri di carta (che rappresentano la crosta oceanica) per simulare il movimento del fondo dell’oceano dal centro di diffusione medio-oceanico alla zona di subduzione.
Iniziate il movimento dei nastri con le bande che rappresentano la polarità normale.
QUESTIONI:
1) La Terra ha circa 4,6 miliardi di anni. Sulla base delle osservazioni del tuo modello di diffusione del fondo marino, perché pensi che il più antico fondo dell’oceano abbia solo circa 200 milioni di anni?
2) Sul fondo dell’oceano reale, le strisce alternate di polarità normale e inversa non sono tutte di uguale larghezza. Cosa ti dice questo sulle lunghezze di tempo rappresentate dalla polarità normale e inversa?
