Il ciclo della roccia PDF

Il ciclo della roccia Il ciclo delle rocce prevede il ciclo del materiale attraverso la geosfera attraverso la disgregazione, la riorganizzazione e la formazione delle rocce....

Il ciclo della roccia Il ciclo delle rocce prevede il ciclo del materiale attraverso la geosfera attraverso la disgregazione, la riorganizzazione e la formazione delle rocce. Dalla roccia alla regolite Non appena la roccia fresca della geosfera è esposta, viene attaccato dall'idrosfera, dall'atmosfera e dalla biosfera. Le rocce di tutti i tipi vengono frantumate fisicamente e alterate chimicamente alla profondità della penetrazione dell'aria e dell'acqua. Questi processi sono collettivamente conosciuti come agenti atmosferici, che hanno come risultato finale la formazione della regolite. I Minerali nelle rocce ignee e metamorfiche si formano a temperature e pressioni molto più elevate di quelle esistenti sulla Superficie terrestre. L’alterazione chimica si verifica quando questi minerali sono esposti e trasformati chimicamente in nuovi minerali più stabili. L’agente principale dell'alterazione chimica è acido carbonico debole (H2CO3)che è il risultato dell’acqua piovana che dissolve piccole quantità di anidride carbonica dall’atmosfera. Alcune regolite sono costituite da frammenti di roccia identici al substrato roccioso sottostante. Questi frammenti hanno subito agenti atmosferici fisici o meccanici. Questo è la disintegrazione della roccia a seguito della disgregazione fisica, che risulta dalla riduzione della pressione, dall'incuneamento del gelo, dall'incuneamento del sale, dal fuoco e dalle radici delle piante. Sebbene gli agenti atmosferici chimici e fisici siano distinti, i due processi generalmente lavorano insieme. Quando l’erosione fisica frantuma le rocce, la superficie aumenta, il che a sua volta aumenta l’efficacia dell’alterazione chimica  (A) Giunzione delle lastre: la giunzione delle lastre produce cupole curve, come la famosa Half Dome nel Parco nazionale di Yosemite, in California. (B) Incuneamento dovuto al gelo: questo masso di granito nelle montagne di San Andres, nel Nuovo Messico, è stato diviso in pezzi dal congelamento e dallo scongelamento ripetuti dell'acqua che è penetrata lungo le giunture. (C) Incuneamento della radice: l'albero ha iniziato a crescere in una fessura in un affioramento di roccia. Le radici in crescita hanno causato l'espansione della fessura. Alla fine, una massa di roccia si staccò, esponendo il sistema radicale dell’albero. Scambio ionico negli agenti atmosferici chimici →Lo scambio ionico è la sostituzione di uno ione con un altro sulla superficie o negli interstizi di un cristallo. Non influisce sulla struttura cristallina. Lo scambio ionico nei minerali argillosi avviene perché i minerali argillosi possono assorbire cationi e, in misura minore, anioni dalla soluzione. Tuttavia, quando esposti a una soluzione diversa, alcuni di questi ioni assorbiti vengono “scambiati” con altri ioni. Lo scambio di ioni tra la soluzione e i minerali argillosi non influisce sulla struttura cristallina perché gli ioni scambiabili sono trattenuti all'esterno dell'unità strutturale del minerale argilloso. Gli agenti atmosferici spezzano le rocce in particelle più piccole e la natura spazza via continuamente queste particelle. La “ginestra” della natura può esserlo - Acqua corrente,gravità,vento, ghiaccio – Questo trasporto si chiama erosione – la regolite trasportata Si chiama sedimento – Dopo il trasporto, il sedimento si accumula in una nuova posizione, la deposizione Ci sono tre principali famiglie di sedimenti – Clastico: frammenti di roccia rotta e minerali che vengono spostati come particelle solide: Ghiaia, sabbia, limo e argilla – Chimico: le sostanze disciolte vengono trasportate in soluzione e precipitate: Sale  – Biogenico: Reazioni biochimiche nell’acqua: Gusci di carbonato di calcio, torba nelle paludi Trasporto di sedimenti mediante fluidi →In generale, più un fluido si muove velocemente, più pesanti sono le particelle che può trasportare. Questo diagramma può essere interpretato per rappresentare il vento che scorre o l'acqua che scorre. In entrambi i casi, le particelle più fini si trovano in alto, dove la velocità del flusso del fluido è massima. Le particelle più grossolane rimangono sul fondo, troppo pesanti per essere sollevate dal fluido. (Il ghiaccio che scorre, sebbene si comporti come un fluido, è diverso a causa della sua viscosità molto elevata.) In alcuni sedimenti, tutti i clasti hanno quasi la stessa dimensione. Tali sedimenti ben selezionati sono stati solitamente trasportati dal vento o dall'acqua. Altri sedimenti, spesso trasportati dal ghiaccio o da rifiuti di massa, sono un miscuglio scarsamente o non selezionato di clasti di diverse dimensioni. Sia il flusso dei fluidi che il movimento verso il basso della roccia sono controllati dalla gravità. Quando la forza motivante centrale è la gravità, si parla di dispersione di massa* (frana) Può sembrare che le frane si verifichino senza motivo, ma generalmente sono innescate da: terremoti, eruzioni vulcaniche, forti piogge, erosione dei corsi d'acqua, tempeste sulle scogliere marine e attività umane che modificano i pendii Luoghi in cui si depositano sedimenti clastici, zone basse, sono in gran parte controllati dalla tettonica a placche –avvallamenti – Rift Valley (fosse tettoniche) – Fosse e prismi di accrezione – Bacini Tettonica e sedimentazione I sedimenti clastici si accumulano in aree basse, che si trovano in luoghi specifici fortemente controllati dalla tettonica a placche. (A) Spessi cumuli sedimentari si accumulano nelle valli del rift e lungo i margini continentali passivi che si formano quando la crosta continentale si spacca e si apre un nuovo bacino oceanico. (B) I sedimenti si accumulano in bacini strutturali lungo il bordo delle catene montuose sollevate dalle collisioni continentali. (C) I sedimenti vengono versati dai continenti nelle fosse profonde nelle zone di subduzione. Il sedimento forma un cuneo che viene compresso e schiacciato mentre la placca oceanica subduce sotto la placca continentale. Il bacino di retroarco che si forma dietro la zona di subduzione è un altro luogo in cui si accumulano i sedimenti. DALLA REGOLITE ALLA ROCCIA Il processo mediante il quale il sedimento o la regolite diventa roccia è la litificazione. Questo produce roccia sedimentaria La lettiera è un aspetto a bande in molte rocce sedimentarie che risulta dalla deposizione di sedimenti in strati  Il processo di litificazione ha più fasi Man mano che i sedimenti si accumulano, il cumulo diventa più spesso e provoca la compattazione - Perché le particelle aderiscano tra loro è necessario che avvenga la cementazione o la ricristallizzazione - Questi cambiamenti di bassa temperatura e bassa pressione che si verificano nei sedimenti dopo la deposizione sono chiamati collettivamente diagenesi Il risultato finale della litificazione è roccia sedimentaria, che può rivelare informazioni sulla regione di origine, sugli agenti atmosferici e sui processi di deposizione che l'hanno formata. Oltretutto la presenza di fossili è un importante indicatore di origine sedimentaria Indizi sedimentari (A) I fossili presenti in questa roccia (un calcare) ne rivelano l'origine sedimentaria. I fossili non possono sopravvivere alle alte temperature alle quali si formano le rocce ignee e metamorfiche. (B) In questa vista fortemente ingrandita, vediamo alcuni granelli minerali arrotondati dal processo di trasporto sedimentario. Gli spazi tra loro sono stati riempiti da cemento, altro indizio della sua origine sedimentaria. Quando il sedimento clastico viene litificato, il risultato è una roccia sedimentaria clastica – Conglomerato:clasti arrotondati > 2 mm – Breccia:clasti angolari > 2 mm – Arenaria:clasti 0,5 - 2 mm – Sillite:particelle di limo e argilla – Scisto:particelle per lo più delle dimensioni di argilla in una roccia che si divide facilmente in fogli – Pietra fangosa:scisto che non si spacca La roccia sedimentaria chimica risulta dalla litificazione di sedimenti chimici formati dalla precipitazione di minerali dall'acqua – Evaporazione:formato per evaporazione – Formazione di ferro fasciato:formato durante un cambiamento atmosferico da O2-povero a O2-ricco – Calcare:conchiglie litificate e altro materiale scheletrico di organismi marini – Selce:minuscole particelle di quarzo provenienti da scheletri silicei di microscopiche creature marine FERRO FASCIATO FORMAZIONI Formazioni di ferro fasciato sono unità distintive di roccia sedimentaria costituito da strati alternati di ossidi di ferro e selce povera di ferro (seleziona). Formazioni di ferro fasciate, come questo esempio di 2,5 miliardi di anni nella catena Hamersley Australia, formata quando il ferro disciolto nell'acqua di mare precipita come sedimento chimico. Quasi tutte le formazioni di ferro a bande hanno un'età compresa tra 2,5 e 1,8 miliardi di anni; ciò suggerisce fortemente che durante quel periodo esistessero condizioni uniche sulla Terra. Oggi l’acqua di mare contiene solo lievi tracce di ferro perché l’ossigeno nell’atmosfera reagisce con essa formando composti di ferro insolubili. Se un tempo l’oceano era ricco di ferro disciolto, a quel tempo doveva esserci pochissimo ossigeno nell’atmosfera. NUOVA ROCCIA DAL VECCHIO Le rocce metamorfiche subiscono cambiamenti nella struttura, nella mineralogia o in entrambi mentre sono allo stato solido - Basso grado:150˚C–550˚C e bassa pressione - Alto grado: superiore a 550˚C e alta pressione Anche altri fattori svolgono un ruolo importante nel metamorfismo: fluidi,tempo, E stress I fluidi intrappolati nei pori tra i grani della roccia si riscaldano durante il metamorfismo e possono accelerare le reazioni chimiche. Quando sono presenti abbondanti fluidi nei pori coinvolti nel metamorfismo, si parla di metasomatismo La roccia può essere riscaldata dall'interramento, dall'esposizione a intrusioni ignee o dalla collisione Ciascuno di questi può essere associato a pressioni diverse quindi raramente il metamorfismo può essere dovuto solo alla temperatura. Il termine stress implica direzione ed è un termine più utile di pressione, soprattutto perché le rocce metamorfiche registrano stress differenziali nelle loro strutture. Lo stress differenziale è lo stress che non è uguale in tutte le direzioni. Comunemente questo produce l'allineamento parallelo di alcuni minerali che conferisce alla roccia un motivo a strisce o un tessuto planare (foliazione). Il metamorfismo produce anche nuovi assemblaggi minerali stabili alla nuova pressione e temperatura Effetti dello stress uniforme e differenziale Le due rocce in queste foto hanno assemblaggi minerali simili ma sembrano molto diversi a causa delle loro diverse storie di stress. (A) Questo granito è costituito da quarzo (vetroso), feldspato (bianco) e biotite (scuro), che si è cristallizzato dal magma (un liquido) in condizioni di stress uniforme. Si noti che i grani di biotite sono orientati in modo casuale. (B) Questo gneiss, una roccia metamorfica di alto grado, contiene gli stessi minerali del granito, ma si sono sviluppati interamente allo stato solido e sotto stress differenziale. I grani di biotite sono allineati, conferendo alla roccia una consistenza foliata. I processi che risultano dal cambiamento di temperatura e pressione sono deformazione meccanica o ricristallizzazione chimica o entrambi Diversi tipi di metamorfismo riflettono l'importanza dei due processi - Metamorfismo di contatto: Laddove il magma si intromette nella roccia, le alte temperature provocano reazioni chimiche e ricristallizzazione - Metamorfismo sepolcrale: I sedimenti sepolti possono raggiungere temperature superiori a 150°C, provocando la ricristallizzazione - Metamorfismo regionale: Sollecitazione differenziale, deformazione meccanica e ricristallizzazione dalla formazione di catene montuose Metamorfismo di contatto Uno strato di calcare subisce metamorfismo di contatto quando vi si intromette magma granitico. L'intrusione è circondata da un'aureola di roccia alterata, con più zone distinte. Nella zona più interna, più vicina al calore e ai fluidi dei pori espulsi dall'intrusione durante il raffreddamento, il grado di metamorfismo è massimo. Tettonica e metamorfismo La teoria della tettonica a placche fornisce una visione unificata del metamorfismo di sepoltura (1), del metamorfismo regionale in una zona di subduzione (2) e del metamorfismo regionale in una zona di collisione (3). Il metamorfismo di contatto (4) può verificarsi in prossimità di un'intrusione ignea in qualsiasi contesto tettonico. Le linee tratteggiate sono isoterme, ovvero linee di uguale temperatura. La classificazione delle rocce metamorfiche si basa sulla tessitura della roccia e sull'assemblaggio dei minerali e nomina principalmente i derivati metamorfici delle - Scisto -> ardesia -> fillite -> scisto -> gneiss - Basalto -> scisto verde -> anfibolite -> granulite - Calcare -> marmo - Arenaria -> quarzite Marmo e quarzite (A) Il marmo è una roccia metamorfica composta principalmente da calcite (vista al microscopio nella foto nel riquadro). Il marmo puro è bianco come la neve. Il colore rosa di questo campione (proveniente dalla Tate, Georgia) deriva dalle impurità presenti nel marmo. (B) L'arenaria ricca di quarzo diventa quarzite monominerale quando i suoi spazi porosi sono riempiti di silice e l'intera massa ricristallizza come risultato del metamorfismo, come si vede nella foto nel riquadro scattata al microscopio. Il campione mostrato qui proviene dal Minnesota. Il concetto di facies metamorfica afferma che, per un dato intervallo di temperatura e pressione e per una data composizione della roccia, l'insieme dei minerali formati durante il metamorfismo è sempre lo stesso. La tettonica a placche spiega la distribuzione regionale della facies metamorfica e delle rocce metamorfosate a livello regionale. DALLA ROCCIA AL MAGMA E RITORNO Quando la roccia è riscaldata al punto di fusione, anche parziale, diventa magma, che lo farà diventare roccia ignea. Il raffreddamento e la cristallizzazione determinano le proprietà della roccia ignea. I cristalli crescono in una trama ad incastro. La velocità di raffreddamento determina la dimensione del cristallo. Le rocce che contengono molta silice Vengono chiamate felsiche, le rocce che contengono poca silice vengono chiamate mafiche. Quando il magma o la lava solidificano l'assemblaggio dei minerali è lo stesso sia per la roccia intrusiva che per quella estrusiva; tuttavia, la consistenza è diversa. Rocce vulcaniche e plutoniche Quando il magma o la lava di una data composizione solidifica, l'assemblaggio minerale che si forma è essenzialmente lo stesso sia per la roccia intrusiva che per quella estrusiva; le uniche differenze, quindi, sono strutturali. Una volta determinata la struttura di una roccia ignea, i campioni vengono ulteriormente denominati sulla base dell'assemblaggio dei minerali. Raffreddamento rapido: roccia vulcanica – Le rocce vulcaniche hanno una struttura a grana fine, la lava si raffredda così rapidamente che i minerali non hanno il tempo di crescere – Alcune lave si raffreddano così rapidamente da formare il vetro –la roccia Piroclastica è di transizione tra ignea e sedimentaria, formando tefra la cenere fusa forma il tufo saldato la tefra delle dimensioni di una bomba è agglomerato la tefra lapilli o cenere Si chiama tufo Vetro vulcanico L'ossidiana è una roccia vulcanica che si è raffreddata così rapidamente da non essere in grado di far crescere i singoli cristalli, quindi ha una consistenza vetrosa. Raffreddamento lento: roccia plutonica – Le rocce ignee intrusive tendono ad essere a grana grossa perché il magma all'interno della crosta si raffredda lentamente e ha il tempo di far crescere i cristalli –la roccia a grana estremamente grossa Si chiama pegmatite –una miscela di grani grandi e piccoli Si chiama porfido C'è un enorme diversità di rocce ignee che nascono dalle tre principali composizioni del magma. La Cristallizzazione frazionata contribuisce alla diversificazione delle rocce ignee La cristallizzazione viene arrestata, i cristalli vengono separati dalla massa fusa oppure nella massa fusa viene iniettato ulteriore magma. IL CICLO DELLE ROCCE, IL CICLO TETTONICO, E I PAESAGGI DELLA TERRA I principali componenti del sistema Terra si incontrano sulla superficie terrestre. I continui Cambiamenti della superficie terrestre riflettono la competizione in corso tra le forze interne che sollevano la litosfera e le forze esterne che la logorano. Sollevamento, isostasia, E vulcanismo sono guidati dall’energia termica interna della Terra. Gravità e energia solare guidano la denudazione: gli effetti distruttivi degli agenti atmosferici, dell'erosione e dello spreco di massa. Il risultato netto è la progressiva scolpitura del terreno in vari rilievi. I tassi di sollevamento sono variabili e cambiano nel tempo, così come i tassi di denudazione. Cinque fattori principali interagiscono per determinare il carattere delle morfologie: processo, clima, litologia, rilievo e tempo. I cambiamenti costanti riflettono le interazioni continue tra le forze interne della tettonica a placche, dell’isostasia e del vulcanismo che sollevano la litosfera, e le forze esterne di denudazione che la logorano. La denudazione inizia non appena una catena montuosa viene sollevata e continua molto tempo dopo che il sollevamento tettonico attivo è cessato. Il risultato netto è la progressiva scultura del terreno in una superficie di varia topografia e rilievo. Le Principali caratteristiche del paesaggio della Terra si sono sviluppate in lunghi intervalli di tempo. Il cambiamento può essere innescato da un evento tettonico, da un cambiamento sostanziale del livello del mare o da un cambiamento climatico. Un paesaggio non raggiunge mai uno stato di equilibrio, e probabilmente è sempre stato, una superficie dinamica. Resa dei sedimenti dai continenti→ Le aree con la più alta resa di sedimenti si trovano nel sud-est asiatico, che riceve elevate precipitazioni, e nelle principali catene montuose ad altorilievo, tra cui l’Himalaya, le Alpi, le Ande e le catene costiere dell’Alaska e della Columbia Britannica. Le aree con i tassi di denudazione più elevati sono simili, ma non esattamente identiche, perché anche altri fattori, come la copertura vegetale, svolgono un ruolo importante. Un fattore importante che influenza i tassi di denudazione è l’attività umana, in particolare il disboscamento delle foreste, lo sviluppo dei terreni coltivati, lo sbarramento dei corsi d’acqua e la costruzione di città. Ognuna di queste attività ha influenzato i tassi di erosione e la resa dei sedimenti nelle aree in cui si sono verificate. A volte i risultati sono drammatici: le aree bonificate per la costruzione o l’estrazione mineraria possono produrre da 10 a 100 volte più sedimenti rispetto ad aree rurali comparabili o aree naturali ricoperte di vegetazione. D'altra parte, nelle aree urbanizzate, la resa dei sedimenti tende ad essere bassa perché il terreno è quasi completamente coperto da edifici, marciapiedi e strade che proteggono la roccia e i sedimenti sottostanti dall'erosione. IL CICLO IDROLOGICO L'acqua e il ciclo idrologico L'acqua svolge un ruolo centrale nel moderare la temperatura e nel controllare il clima. Gli effetti erosivi e deposizionali di corsi d'acqua, onde e ghiacciai, insieme all'attività tettonica, hanno prodotto la diversità dei paesaggi terrestri. Le proprietà chimiche uniche dell'acqua rendono possibile la vita. Il ciclo idrologico mantiene un equilibrio di massa su scala globale. La presenza dell’acqua nei suoi stati solido, liquido e vapore nell’ambiente vicino alla superficie rende la Terra un corpo unico nel nostro sistema solare. La molecola d'acqua (H2O) è dipolare, il che significa che è asimmetrico, con una carica leggermente negativa a un'estremità e una carica leggermente positiva all'altra estremità. Ciò fa sì che le molecole d'acqua siano attratte l'una dall'altra, aderendo l'una all'altra mediante legami idrogeno (una forma di legame di Van der Waals). Il legame idrogeno e la natura dipolare della molecola d'acqua sono responsabili della determinazione di molte delle proprietà dell'acqua. Questi, a loro volta, consentono all’acqua di svolgere un ruolo di mediazione o di facilitazione in innumerevoli processi fisici, chimici e biologici nel sistema Terra. L'acqua ha molte proprietà uniche, tra cui tensione superficiale molto elevata, capillarità, capacità di agire come solvente, calore di vaporizzazione molto elevato, capacità termica molto elevata e diminuzione della densità al congelamento. Queste proprietà consentono all’acqua di svolgere un ruolo centrale in innumerevoli processi fisici, chimici e biologici nel sistema Terra. Tensione superficiale facilita una varietà di processi naturali. Fa sì che l'acqua si formi in goccioline e fa sì che i liquidi immiscibili, come olio e acqua, si separino l'uno dall'altro. Anche la superficie di un lago o di uno stagno è una manifestazione della tensione superficiale all'interfaccia tra acqua e aria. La tensione superficiale consente all'acqua di trattenere sostanze più dense di se stessa; alcuni insetti acquatici fanno affidamento su questa proprietà quando si muovono sulla superficie dell’acqua. La tensione superficiale gioca un ruolo anche nella formazione delle onde e delle increspature mosse dal vento; è la forza interna all'acqua che resiste alla forza disperdente del vento. Senza capillarità, le piante e gli alberi non sarebbero in grado di assorbire le sostanze nutritive attraverso le radici, la percolazione delle acque sotterranee rallenterebbe, l'umidità del suolo si prosciugherebbe rapidamente e le persone non riuscirebbero a piangere, perché anche la capillarità contribuisce a far sì che le lacrime possano fuoriuscire dall'acqua. condotti lacrimali. Oltre a legarsi facilmente tra loro, le molecole d’acqua si legano facilmente a molte altre sostanze. Ciò consente all’acqua di dissolversi e trasportare facilmente un’ampia varietà di materiali, ed è per questo che l’acqua viene talvolta chiamata “il solvente” (anche se, in effetti, molte sostanze non si sciolgono facilmente in acqua; l’olio ne è un esempio). La proprietà solvente dell’acqua ha molte implicazioni per la vita sulla Terra. Ad esempio, l’acqua dissolve i nutrienti delle piante dalle rocce e dal terreno, trasportandoli alle radici delle piante. Le goccioline d’acqua nell’atmosfera dissolvono l’anidride carbonica, trasportandola sulla superficie terrestre dove la soluzione leggermente acida risultante svolge il ruolo centrale nell’alterazione chimica. Il legame idrogeno mantiene inoltre l’acqua in forma liquida in un intervallo di temperature più ampio rispetto a qualsiasi altra molecola di dimensioni simili. Questo perché è necessaria molta energia per rompere i molteplici legami idrogeno presenti nell’acqua liquida. Pertanto il legame idrogeno conferisce all'acqua il suo elevato calore di vaporizzazione (l'energia necessaria per trasformarlo in vapore), nonché la sua elevata capacità termica(l'energia necessaria per aumentare la sua temperatura di una determinata quantità). Dei materiali conosciuti, solo l'ammoniaca (NH3), che possiede anch'essa legami idrogeno, ha una capacità termica maggiore dell'acqua. Queste proprietà sono responsabili dell’effetto moderatore che i corpi idrici hanno sul clima terrestre. L’acqua ha molte altre proprietà di fondamentale importanza. È una delle poche sostanze in cui la forma solida è meno densa della forma liquida. Questo è il motivo per cui il ghiaccio galleggia e perché i laghi non ghiacciano durante l’inverno. Anche l'acqua lo è trasparente; senza questa proprietà, che consente alla luce solare di penetrare, la maggior parte delle forme di vita acquatiche non potrebbero esistere. Il ciclo idrologico interagisce con il ciclo delle rocce, il ciclo tettonico e i cicli biogeochimici ed è interconnesso praticamente con tutti gli aspetti del sistema Terra. Il ciclo idrologico globale mantiene un equilibrio di massa, con ampie fluttuazioni locali.  IL serbatoio più grande nel ciclo idrologico è l’oceano; contiene più di 97,5% dell’acqua della Terra. La maggior parte dell’acqua nel ciclo idrologico è salino e non è utilizzabile dagli esseri umani Il più grande serbatoio di acqua dolce sono le calotte polari; contiene 4% dell’acqua dolce della Terra Il più grande serbatoio Di acqua dolce non congelata è l’ acqua sotterranea dell'acqua attraverso il Il movimento ciclo idrologico è alimentato dal Sole – Evaporazione – Condensa – Precipitazioni – Traspirazione - Deflusso superficiale – Infiltrazione Acqua sul terreno Durante una forte pioggia, acqua si muove in discesa.Inizialmente come flusso di fogli (flusso terrestre) Si concentra nel flusso del flusso: È costituito dal flusso temporalesco e dal flusso base I flussi senza flusso di base sono effimeri I corsi d'acqua con portata base sono perenni I flussi fanno parte di un complesso naturale sistema quello include : un canale, un bacino di drenaggio, Una divisione Il flusso carico è il sedimento totale e la materia disciolta che trasporta. Quando le precipitazioni diminuiscono, gran parte di esse viene restituita direttamente all’atmosfera tramite evaporazione e traspirazione: il 58% a livello globale, come mostrato qui, sebbene questa proporzione vari sostanzialmente da un luogo all’altro. Una piccola quantità si infiltra e percola raggiungendo le falde acquifere; il resto scorre via terra e nei canali dei corsi d'acqua, diventando deflusso superficiale. Corsi d'acqua e sistemi di drenaggio svolgono un ruolo fondamentale sia nel ciclo idrologico che nel ciclo delle rocce, supportano ecosistemi complessi e sono in continua evoluzione in risposta ai cambiamenti del rilievo, del clima e della vegetazione. La dimensione e la forma di un canale di flusso sono controllate da diversi fattori - Erodibilità delle rocce - Ripidità della discesa - Volume d'acqua La distanza verticale discendente di un canale fluviale lungo il suo corso è la sua pendenza, nel complesso diminuisce a valle, anche se non in modo uniforme Il comportamento del flusso è controllato da 5 fattori fondamentali 1. Larghezza e profondità media del canale 2. Gradiente del canale 3. Velocità media dell'acqua 4. Scarica 5. Carico di sedimenti Tutti i flussi sperimentano una continua interazione tra questi fattori Seguendo un corso d'acqua dalla sorgente alla foce, si verificano aggiustamenti ordinati – Aumento della larghezza e della profondità – Il gradiente diminuisce – Aumento della velocità del flusso e della portata – La turbolenza diminuisce Cambiamenti nel comportamento del flusso →Le proprietà del flusso cambiano man mano che l'acqua si muove lungo il canale. La portata aumenta man mano che nuovi affluenti si uniscono al flusso. La larghezza e la profondità del canale sono mostrate dalle sezioni trasversali A, B e C. I grafici mostrano la relazione tra portata e larghezza, profondità, velocità e pendenza negli stessi tre punti lungo il canale. Canali tortuosi I canali diritti sono rari. I corsi d'acqua a bassa pendenza assumono tipicamente una forma sinuosa, ogni curva è un meandro. La forma riflette il modo in cui il flusso riduce al minimo la resistenza al flusso La velocità è più bassa lungo i meandri interni, mentre La velocità è massima lungo i meandri esterni. I sedimenti si accumulano sul lato interno di un meandro, formando una barra puntiforme. Il crollo della sponda del torrente avviene all'esterno di un meandro, formando una sponda tagliata. In questo modo i meandri tendono a migrare. A volte un ruscello aggira un anello del canale, tagliandolo e formando una lanca Canali intrecciati -Un corso d'acqua che non riesce a trasportare l'intero carico solido disponibile tende a depositare i sedimenti più grossolani e densi formando una barra, che localmente divide e concentra il flusso. Un flusso con molti canali e barre intrecciati è chiamato intrecciato. Tende ad avere portata variabile e argini facilmente erodibili. I corsi d'acqua intrecciati si sviluppano tipicamente in aree con un basso gradiente e un carico di sedimenti elevato o variabile. La dimensione dei clasti che un flusso può trasportare è principalmente correlata alla velocità. Tuttavia, la dimensione dei clasti diminuisce a valle delle sorgenti rocciose Il carico di un flusso è composto da tre parti: - Carico del letto: – 5-50% del carico totale di sedimenti – Muoversi mediante rotolamento, scorrimento o salatura - Carico sospeso: Le particelle di limo e argilla forniscono il carattere fangoso di molti corsi d'acqua - Carico disciolto: Composto principalmente da 7 ioni :Bicarbonato [(HCO3)-], calcio (Ca2+), solfato [(SO4)2-], cloruro (Cl-), sodio (Na+), magnesio (Mg2+) e potassio (K+) Salazione a letto→ Il carico del letto di un ruscello si sposta per salazione. I clasti vengono trasportati in un flusso nei punti in cui la turbolenza raggiunge localmente il fondo o dove i grani sospesi colpiscono altri grani sul letto. Una volta sollevati nell'acqua corrente, i clasti vengono trasportati lungo traiettorie ad arco mentre la gravità li trascina verso il letto del torrente, dove urtano altre particelle che, a loro volta, vengono messe in movimento. Granulometria a carico del letto →La dimensione dei grani dei clasti nel letto di un torrente varia con la velocità del flusso. In questo canale tortuoso, il sedimento più grossolano è associato alla zona di massima velocità, all'esterno dell'ansa. Il sedimento più fine è associato alla zona di velocità più bassa, all'interno della curva. La dimensione dei grani dei clasti nel letto di un torrente varia con la velocità del flusso. In questo canale tortuoso, il sedimento più grossolano è associato alla zona di massima velocità, all'esterno dell'ansa. Il sedimento più fine è associato alla zona di velocità più bassa, all'interno della curva. I corsi d'acqua formano tre principali morfologie deposizionali: – Piana alluvionale: deposizione di sedimenti fini oltre gli argini naturali durante un'alluvione – Conoide alluvionale: corpo alluvionale a forma di ventaglio alla base di un'area montuosa – Delta: deposito di forma triangolare che si forma quando un corso d'acqua entra nelle acque stagnanti di un mare o di un lago Tutti i continenti sono divisi in grandi regioni da cui scorrono i principali fiumi verso uno dei più grandi oceani del mondo. La linea che separa due di questi si chiama spartiacque continentale. Gli spartiacque continentali spesso coincidono con le creste delle montagne, risultato del sollevamento, sappiamo che esiste una stretta relazione tra la tettonica a placche e la localizzazione dei bacini fluviali. L'acqua può rimanere immagazzinata in uno qualsiasi dei numerosi serbatoi d'acqua superficiali - Calotte di ghiaccio sono i più grandi tra questi – Laghi: principalmente alle alte latitudini → formato da glaciazione, vulcanismo, tettonismo, deflusso dei corsi d'acqua, dighe naturali, crollo di grotte, crollo di dighe di ghiaccio, disgelo del permafrost e processi costieri. – Zone umide: permanentemente o intermittentemente umide→ Includere paludi, acquitrini e acquitrini. Altamente biologicamente produttivo Allagamento – Si verifica quando la portata di un flusso diventa così grande da superare la capacità del canale – Le grandi inondazioni si verificano raramente, ma può essere devastante o catastrofico – Durante un’alluvione, il picco di portata arriva ben dopo le piogge che lo hanno prodotto Dopo la pioggia, il deflusso superficiale si sposta nei canali dei corsi d'acqua, aumentando rapidamente la portata La portata massima o di picco in una piena di un torrente di solito arriva ben dopo le piogge che l'hanno prodotta. Dopo un intervallo di precipitazioni, il deflusso superficiale si sposta nei canali dei corsi d'acqua, con il risultato che la portata del canale aumenta rapidamente. Il culmine dell'inondazione risultante, ovvero il momento in cui il flusso di picco supera il luogo in cui vengono effettuate le misurazioni, si verifica successivamente. Ciò potrebbe avvenire giorni o settimane dopo, nel caso di un'alluvione regionale di lunga durata, o ore o addirittura minuti dopo, nel caso di un'alluvione improvvisa più breve ma più intensa. Alla fine, il deflusso dell'alluvione passa attraverso il canale e la portata ritorna al suo livello normale. Poiché le inondazioni possono essere così pericolose, la previsione è diventata essenziale È possibile tracciare un grafico della frequenza delle alluvioni passate, calcolando l'intervallo di tempo medio tra due alluvioni di uguale magnitudo - Questo è chiamato intervallo di ricorrenza (modello di Bernoulli) Inoltre, il monitoraggio in tempo reale durante le tempeste, insieme alle informazioni sulla geometria del bacino idrografico, aiuta nella previsione Prevenzione e canalizzazione delle inondazioni - I canali fluviali vengono spesso modificati allo scopo di controllare le piene Questo si chiama canalizzazione - La canalizzazione protegge il nostro benessere, per un certo periodo e a un prezzo Interferisce con gli ecosistemi Può aggravare l'inquinamento Non sempre protegge dalle inondazioni, anzi ne aumenta la probabilità Può portare alla subsidenza Rende non validi i dati idrologici storici Acqua sotto terra Meno dell'1%dell'acqua liquida nell'idrosfera si trova sotto terra – Acque sotterranee Comprende un volume35 volte più grande rispetto al volume di tutta l'acqua dolce laghi e ruscelli, ed è grande quasi un terzo di tutti i ghiacciai e il ghiaccio marino Più del 50% si trova a una profondità di 750 m Gli elementi disciolti nelle acque sotterranee sono costituiti da cloruri, solfati e bicarbonati di calcio [CaCl2, CaSO₄,Ca(HCO₄)₄], magnesio [MgCl 2, MgSO₄,Mg(HCO₄)₄], sodio [NaCl, Na2COSÌ₄, NaHCO₄]e potassio [KCl, K2COSÌ₄,KHCO₄] Che si dissolvono dai comuni minerali che formano le rocce - Di conseguenza la composizione delle acque sotterranee varia da luogo a luogo a seconda delle rocce circostanti Dalla superficie del terreno al di sotto della falda freatica, la regolite – È pieno d’aria: zona aerata – È riempito con acqua:zona satura La superficie superiore di questo è la lfalda freatica che rappresenta il limite superiore di tutte le acque sotterranee facilmente utilizzabili – Segue la forma del terreno, più alto sotto le colline e più basso sotto le valli Un pozzo passa prima attraverso la zona di aerazione, dove i pori del terreno vengono riempiti sia di aria che di acqua. Alla fine raggiunge la zona di saturazione, dove gli spazi dei pori sono completamente riempiti d'acqua. L’acqua sotterranea esiste ovunque e l’acqua superficiale si trova ovunque il terreno interseca la falda freatica, nella parte superiore della zona satura. Le acque sotterranee scorrono tra gli spazi porosi per percolazione – Questo flusso dipende dalla porosità e permeabilità della roccia attraverso la quale si muove – Porosità:la percentuale del volume totale di roccia costituito da spazi a pori aperti – Permeabilità: una misura della facilità con cui un solido consente ai fluidi di attraversarlo. In un certo senso, è una misura dell'interconnessione dei pori. La ghiaia ben selezionata, con grandi clasti e grandi aperture interconnesse tra i clasti, è tipicamente sia porosa che permeabile e può produrre grandi volumi di acqua. Una roccia o un sedimento con bassa porosità avrà probabilmente una permeabilità corrispondentemente bassa. Tuttavia, un’elevata porosità non significa necessariamente una corrispondente elevata permeabilità. Questo perché la dimensione e la continuità delle aperture influenzano in modo importante la permeabilità. Argillaè un esempio di un materiale che può avere elevata porosità ma bassa permeabilità. Le singole minuscole particelle di argilla mostrate qui sarebbero a grana troppo fine per essere distinte a occhio. Si noti che si impilano ordinatamente a causa della loro struttura a piastre. Hanno abbondante spazio poroso (riempito qui dall'acqua), quindi elevata porosità, ma gli spazi sono piccoli e scarsamente interconnessi, quindi bassa permeabilità. Le acque sotterranee defluiscono dalle falde freatiche alte verso quelle basse in risposta alla gravità Il rifornimento avviene quando la pioggia e lo scioglimento della neve penetrano nel terreno nelle aree di ricarica L'acqua si sposta attraverso il sistema verso le aree di scarico, dove incontra la superficie, ruscelli, laghi, stagni o zone umide. Una falda acquifera è un corpo di roccia o regolite sufficientemente poroso e permeabile da immagazzinare e condurre quantità significative di acque sotterranee. Se ha una falda freatica, non è confinata.Se la velocità di prelievo supera la velocità del flusso locale delle acque sotterranee, si può formare un cono di depressione.Una falda acquifera confinata è delimitata sopra e sotto da roccia impermeabile (aquiclude) Se ha una pressione idrostatica elevata, è una falda artesiana, a libero scorrimento. La legge di Darcy è un'equazione che descrive il flusso di un fluido attraverso un mezzo poroso. È analogo alla legge di Ohm in elettrostatica, che mette in relazione linearmente la portata volumetrica del fluido con la differenza di carico idraulico (che spesso è solo proporzionale alla differenza di pressione) tramite la conduttività idraulica. Una falda acquifera non confinata è aperta all'atmosfera attraverso i pori nella roccia e nel terreno sopra la falda acquifera. Al contrario, l’acqua in una falda acquifera confinata è intrappolata tra strati rocciosi impermeabili. Le acque sotterranee che si muovono lentamente hanno la capacità di dissolvere molto materiale. Il calcare e il marmo sono molto sensibili. Una grotta si formerà quando la circolazione dell'acqua sotterranea dissolve un vuoto sotterraneo senza alcuna apertura verso la superficie. Il passaggio viene ampliato nel percorso di flusso più favorevole dall'acqua che riempie l'apertura A differenza di una grotta, una dolina è una grande cavità di dissoluzione aperta verso il cielo. Nelle regioni con roccia eccezionalmente solubile, doline e grotte sono così numerose che si combinano per formare una topografia distinta di piccoli bacini, creste e pinnacoli chiamati carsici. Si sviluppa meglio nelle regioni umide e tropicali sotto il calcare Acqua e società Un approvvigionamento idrico affidabile è fondamentale: - Per la sopravvivenza e la salute umana - Per l'industria e l'agricoltura - Per i servizi ambientali L'acqua è minacciata quasi ovunque nel mondo in termini di qualità e quantità Le leggi e le politiche sono confuse e complicate e le acque sotterranee sono difficili da monitorare Irrigazione delle colture richiede il 75% di acqua Industria richiede il 20% Uso domestico richiede il 5% Tuttavia, le proporzioni variano notevolmente da una regione all'altra Crescita demografica è in parte responsabile dell’aumento della domanda, così come lo sono miglioramenti in standard di vita 29 paesi nel mondo soffrono di carenza idrica (450 milioni di persone) Il trasferimento interbacino dell'acqua da un bacino idrografico all'altro per soddisfare le elevate richieste idriche solleva questioni politiche e può avere impatti ambientali. Un eccessivo prelievo di acque sotterranee può portare all'abbassamento della falda freatica, al prosciugamento delle sorgenti, alla compattazione e alla subsidenza. Circa 1,2 miliardi di persone, soprattutto nei paesi in via di sviluppo, non hanno accesso all'acqua potabile. Nel Nord America e in Europa, l'acqua viene prelevata da fonti relativamente pulite, ma viene comunque monitorata e trattata con clorazione per uccidere i microrganismi. L'accessibilità delle acque superficiali le rende risorse utili, ma altamente suscettibile alla contaminazione. I contaminanti provengono dal – Deflusso urbano, suburbano e agricolo – Scarichi industriali e di discarica – Estrazione mineraria, disboscamento e scarico di petrolio – Contaminanti presenti nell'aria - Inquinamento termico Una forma comune di contaminazione delle acque superficiali deriva dall'eccesso di nutrienti vegetali provenienti da fertilizzanti e detergenti. Fa sì che le alghe crescano e le erbe infestanti acquatiche vadano fuori controllo: fioritura algale. Quando muoiono, la loro degradazione provoca la riduzione dell'ossigeno, uccidendo altri organismi presenti nell'acqua: eutrofizzazione. Se accelerata dall'aggiunta di inquinanti di origine antropica, si parla di eutrofizzazione culturale. Contaminazione delle acque sotterranee è causato da molti degli stessi inquinanti che colpiscono le acque superficiali. Tuttavia può esserlo molto più difficile da rilevare, controllare e ripulire. – Risanamento passivo implica fare affidamento su processi ambientali naturali per ripulire il sito – Bonifica attiva prevede l'intervento mediante l'iniezione di ossigeno o altre sostanze chimiche per accelerare la decomposizione dei contaminanti