Come abbiamo discusso nel contesto del metamorfismo, la temperatura interna della Terra aumenta con la profondità. Tuttavia, come mostrato nella figura 9.10, questo tasso di aumento non è lineare. Il gradiente di temperatura è di circa 15°-30°C/km entro i 100 km superiori; poi diminuisce drasticamente attraverso il mantello, aumenta più rapidamente alla base del mantello, e poi aumenta lentamente attraverso il nucleo. La temperatura è di circa 1000°C alla base della crosta, di circa 3500°C alla base del mantello e di circa 5000°C al centro della Terra. Il gradiente di temperatura all’interno della litosfera (100 km superiori) è abbastanza variabile a seconda dell’impostazione tettonica. I gradienti sono più bassi nelle parti centrali dei continenti, più alti in prossimità delle zone di subduzione, e più alti ancora ai confini divergenti.
La figura 9.11 mostra una tipica curva di temperatura per i 500 km superiori del mantello, in confronto con la curva di fusione della roccia del mantello asciutto. Nell’intervallo di profondità tra 100 e 250 km, la curva di temperatura si avvicina molto al limite di fusione per la roccia del mantello asciutto. A queste profondità, quindi, la roccia del mantello è quasi fusa o parzialmente fusa. In alcune situazioni, dove è presente del calore supplementare e la linea di temperatura attraversa la linea di fusione, o dove è presente dell’acqua, può essere completamente fusa. Questa regione del mantello è conosciuta come la zona a bassa velocità perché le onde sismiche sono rallentate all’interno della roccia che è vicina al suo punto di fusione, e naturalmente è anche conosciuta come l’astenosfera. Sotto i 250 km, la temperatura rimane sul lato sinistro della linea di fusione; in altre parole, il mantello è solido da qui fino al confine tra nucleo e mantello.
Il fatto che il gradiente di temperatura sia molto minore nella parte principale del mantello rispetto alla litosfera è stato interpretato per indicare che il mantello è convettivo, e quindi che il calore dalla profondità viene portato verso la superficie più velocemente di quanto sarebbe con la sola conduzione del calore. Come vedremo nel capitolo 10, un mantello convettivo è una caratteristica essenziale della tettonica a placche.
La convezione del mantello è un prodotto del trasferimento di calore dal nucleo al mantello inferiore. Come in una pentola di zuppa su un fornello caldo (Figura 9.12), il materiale vicino alla fonte di calore diventa caldo e si espande, rendendolo più leggero del materiale sovrastante. La forza di galleggiamento lo fa salire, e il materiale più freddo entra dai lati. Il mantello convoglia in questo modo perché il trasferimento di calore dal basso non è perfettamente uniforme, e anche perché, anche se il materiale del mantello è roccia solida, è sufficientemente plastico da scorrere lentamente (a tassi di centimetri all’anno) finché gli viene applicata una forza costante.
Come nell’esempio della pentola da minestra, il mantello della Terra non convetterà più quando il nucleo si sarà raffreddato al punto in cui non ci sarà abbastanza trasferimento di calore per vincere la forza della roccia. Questo è già successo su pianeti più piccoli come Mercurio e Marte, così come sulla Luna della Terra.
Perché l’interno della Terra è caldo?
Il calore dell’interno della Terra proviene da due fonti principali, ciascuna delle quali contribuisce a circa il 50% del calore. Una di queste è il calore di attrito lasciato dagli urti di particelle grandi e piccole che hanno creato la Terra, più il successivo calore di attrito della ridistribuzione del materiale all’interno della Terra da parte delle forze gravitazionali (ad esempio, l’affondamento del ferro per formare il nucleo).
L’altra fonte è la radioattività, in particolare il decadimento radioattivo spontaneo di 235U, 238U, 40K e 232Th, che sono principalmente presenti nel mantello. Come mostrato in questa figura, il calore totale prodotto in questo modo è diminuito nel tempo (perché questi isotopi si stanno consumando), ed è ora circa il 25% di quello che era quando la Terra si è formata. Questo significa che l’interno della Terra sta lentamente diventando più freddo.