Se mettete il film in fast-forward, vedreste molta azione e molti cambiamenti! Vedreste che il nostro pianeta ha subito notevoli cambiamenti nel corso di miliardi di anni (Figura 12.3). Enormi montagne si sono formate, sono state distrutte e sostituite da nuove montagne. Gli oceani si sono aperti e spostati intorno al globo. I continenti si sono spostati, si sono divisi l’uno dall’altro e si sono scontrati tra loro, fino a raggiungere le loro posizioni attuali. Anche la vita sulla Terra è cambiata enormemente. All’inizio la Terra non era nemmeno in grado di sostenere la vita. Non c’era ossigeno nell’atmosfera e la superficie terrestre era estremamente calda. Lentamente, nel corso di milioni di anni, la Terra è cambiata in modo che piante e animali potessero iniziare a crescere. Gli esseri viventi hanno poi cambiato la Terra ancora di più.
Figura 12.3: La Terra dallo spazio. La Terra appare molto diversa oggi rispetto a quando si è formata più di 4 miliardi di anni fa.
Spesso ci piace usare la nostra immaginazione per pensare a com’era la Terra quando i dinosauri si aggiravano nei dintorni (Figura 12.4). Quali immagini ti vengono in mente quando pensi ai dinosauri? Ora immagina un tempo sulla Terra prima ancora dei dinosauri. Immagina il tempo prima che ci fosse qualsiasi essere vivente sulla Terra. Quali immagini ti vengono in mente adesso? Come pensi che fosse la Terra quando si è formata? Questa lezione ti aiuterà a capire come si è formata la Terra, come appariva durante i suoi primi anni, e come la vita si è sviluppata sulla Terra.
Figura 12.4: La Terra e le sue forme di vita dominanti sono cambiate nel corso della lunga storia della Terra.
Valutazione delle conoscenze precedenti
Le seguenti domande sono affrontate in altri capitoli e ti aiuteranno a lavorare su questa lezione. Ricercale prima di andare avanti.
- Cosa sono gli elementi chimici?
- Di quali condizioni hanno bisogno le piante e gli animali per vivere?
- Cos’è l’atmosfera e di cosa è fatta?
- Come gli agenti atmosferici e l’erosione influenzano la Terra?
Formazione della Terra e del nostro sistema solare
Possiamo costruire la storia della formazione del nostro sistema solare guardando le regioni dove altre stelle si stanno formando ora. La formazione delle stelle inizia quando una nube gigante di gas e polvere collassa sotto la sua stessa gravità. Mentre la nube si contrae, comincia a girare più velocemente e si deposita in una struttura a forma di disco. Vediamo questi oggetti a forma di disco (chiamati proplyd) nella Nebulosa di Orione (Figura 12.13), dove le nuove stelle si stanno formando oggi. La maggior parte del materiale polveroso del disco defluisce verso il centro dove la densità aumenta gradualmente fino a quando l’enorme pressione centrale innesca reazioni di fusione nucleare e la stella nasce.
Tuttavia, una frazione relativamente piccola del materiale del disco viene lasciata indietro sotto forma di granelli di polvere ricoperti di ghiaccio. I manti ghiacciati dei grani iniziano ad attaccarsi tra loro e alla fine crescono fino a diventare massi rocciosi grandi un metro chiamati planetesimi. I planetesimi si scontrano e si aggregano in corpi più grandi di decine di chilometri di diametro chiamati protopianeti. Una volta che i protopianeti si liberano di un varco nel disco, diventano pianeti veri e propri e le loro orbite iniziano a stabilizzarsi (Figura 12.6).
Figura 12.6: Una rappresentazione artistica di una stella bambina ancora circondata da un disco protoplanetario in cui si stanno formando dei pianeti.
Il processo di formazione dei pianeti è disordinato. Non tutti i planetesimi si accretano in pianeti. Milioni di planetesimi rimangono come detriti avanzati e sono ora gli asteroidi e le comete ricoperte di ghiaccio nel nostro sistema solare. Nei primi cento milioni di anni dopo la formazione del Sole, le collisioni tra i planetesimi rimasti e i pianeti erano comuni. Vediamo prove di un pesante bombardamento da parte dei planetesimi sulle superfici della luna e di Mercurio (Figura 12.7 e Figura 12.8).
Figura 12.7: La superficie della luna è segnata da collisioni con detriti che avevano un diametro da metri a chilometri. La maggior parte dei planetesimi sono stati accretati in pianeti o lune, ma alcuni di questi oggetti rimangono come meteore, asteroidi e comete nel nostro sistema solare oggi.
Figura 12.8: La superficie di Mercurio mostra un simile cratere collisionale. La maggior parte dei planetesimi sono stati accretati in pianeti o lune, ma alcuni di questi oggetti rimangono come meteore, asteroidi e comete nel nostro sistema solare oggi.
Gli stessi tipi di collisioni si sarebbero verificati sulla superficie della Terra, tuttavia i processi erosivi hanno cancellato tutti tranne i più recenti di queste collisioni. La figura 12.9 mostra un cratere meteoritico in Arizona.
Figura 12.9: Il cratere meteoritico in Arizona si è formato circa 40.000 anni fa dall’impatto di un meteorite che aveva un diametro di circa 50 metri. Tali collisioni sono rare oggi.
Circa 100 milioni di anni dopo la formazione del Sole, la gravità dei pianeti e delle lune del nostro sistema solare aveva spazzato via la maggior parte dei planetesimi. Tuttavia, milioni di questi oggetti rimangono ancora in orbite gravitazionalmente stabili nella fascia principale degli asteroidi del sistema solare, nella fascia degli asteroidi troiani, o oltre Nettuno e Plutone nella fascia di Kuiper. Illustrato nello schizzo qui sotto c’è la posizione del più grande serbatoio di asteroidi nel nostro sistema solare oggi (Figura 12.10).
Figura 12.10: Questo schizzo mostra il più grande serbatoio di asteroidi nel nostro sistema solare oggi.
La Terra è l’unico oggetto del nostro sistema solare conosciuto per sostenere la vita (Figura 12.11). Oggi ci sono oltre 1 milione di specie conosciute di piante e animali sulla Terra.
Figura 12.11: La Terra si è formata contemporaneamente agli altri pianeti del nostro sistema solare circa 4 1⁄2 miliardi di anni fa.
I materiali che si sono uniti per formare la Terra erano fatti di diversi elementi chimici. Ogni elemento ha una densità diversa, definita come massa per volume. La densità descrive quanto è pesante un oggetto rispetto a quanto spazio occupa. Dopo la prima formazione della Terra, gli elementi più densi affondarono verso il centro. Gli elementi più leggeri salirono in superficie. Probabilmente hai visto qualcosa di simile accadere se hai mai mescolato olio e acqua in una bottiglia. L’acqua è più densa dell’olio. Se metti entrambi in una bottiglia, la agiti e poi la lasci riposare per un po’, l’acqua si deposita sul fondo e l’olio sale sopra l’acqua.
Oggi la Terra è composta da strati che rappresentano densità diverse (Figura 12.12). Il centro della Terra è chiamato il suo nucleo. Il nucleo è fatto di elementi metallici molto densi chiamati ferro e nichel. Lo strato più esterno della Terra è la crosta. La crosta è fatta principalmente di elementi leggeri come il silicio, l’ossigeno e l’alluminio. Maggiori informazioni sui diversi strati della Terra sono presentate nella lezione sulla tettonica a placche.
Figura 12.12: La Terra è fatta di diversi strati che variano in densità. Il centro della Terra è il nucleo, che è il più denso. Lo strato più esterno è la crosta, che è il meno denso. Gli strati intermedi costituiscono il mantello.
Formazione dell’atmosfera terrestre
La Terra primitiva era molto diversa dalla nostra Terra attuale. La Terra primitiva sperimentava frequenti impatti di asteroidi e meteoriti e aveva eruzioni vulcaniche molto più frequenti. Non c’era vita sulla Terra per il primo miliardo di anni perché l’atmosfera non era adatta alla vita. La prima atmosfera terrestre aveva molto vapore acqueo ma quasi niente ossigeno. Più tardi, frequenti eruzioni vulcaniche misero nell’aria diversi gas diversi (figura 12.13). Questi gas crearono un nuovo tipo di atmosfera per la Terra. Le eruzioni vulcaniche hanno sputato nell’atmosfera gas come azoto, anidride carbonica, idrogeno e vapore acqueo, ma nessun ossigeno libero. Senza ossigeno, c’era ancora molto poco che potesse vivere sulla Terra.
Figura 12.13: Le eruzioni vulcaniche avvenivano quasi costantemente sulla Terra primitiva. Le eruzioni misero nell’aria vapore acqueo, anidride carbonica e altri gas che contribuirono a creare la prima atmosfera terrestre.
Lentamente, due processi cambiarono l’atmosfera terrestre in una più ricca di ossigeno come quella che abbiamo oggi. In primo luogo, le radiazioni del Sole hanno causato la scissione delle molecole di vapore acqueo. Ricorda che una molecola d’acqua è composta dagli elementi idrogeno e ossigeno, o H2O. Le radiazioni del Sole hanno scisso alcune molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno. L’idrogeno fuggì nello spazio esterno. L’ossigeno si è accumulato nell’atmosfera. Il secondo processo che cambiò la prima atmosfera terrestre fu la fotosintesi (Figura 12.14). Circa 2,4 miliardi di anni fa, un tipo di organismo chiamato cianobatteri si è evoluto sulla Terra primitiva e ha iniziato a svolgere la fotosintesi. La fotosintesi utilizza l’anidride carbonica e l’energia del Sole per produrre zucchero e ossigeno. I cianobatteri erano organismi molto semplici ma svolsero un ruolo importante nel cambiare la prima atmosfera terrestre. Eseguivano la fotosintesi per produrre i materiali di cui avevano bisogno per crescere. Nel fare ciò, cedevano ossigeno all’atmosfera.
Figura 12.14: I batteri capaci di fotosintesi apparvero per la prima volta sulla Terra circa 2,4 miliardi di anni fa. La fotosintesi prende luce solare, anidride carbonica e acqua e produce zucchero e ossigeno. La fotosintesi ha contribuito all’ossigeno nella prima atmosfera terrestre e ha contribuito a cambiarla da una ricca di anidride carbonica a una ricca di ossigeno.
L’ossigeno nell’atmosfera è importante per la vita per due ragioni principali. In primo luogo, l’ossigeno costituisce lo strato di ozono. Lo strato di ozono si trova nella parte superiore dell’atmosfera ed è fatto di molecole di O3, un particolare tipo di molecola di ossigeno. Blocca le radiazioni nocive del sole e impedisce loro di raggiungere la superficie terrestre. Senza uno strato di ozono, le radiazioni intense del sole raggiungevano la superficie terrestre, rendendo la vita quasi impossibile. In secondo luogo, l’ossigeno nell’atmosfera è necessario agli animali, compresi gli esseri umani, per respirare. Nessun animale sarebbe stato in grado di respirare nella prima atmosfera terrestre. Tuttavia, c’erano probabilmente diversi tipi di batteri che vivevano sulla Terra durante questo periodo iniziale. Sarebbero stati anaerobici, cioè non avevano bisogno di ossigeno per vivere.
Cellule molto semplici hanno vissuto sulla Terra per i primi miliardi di anni della storia della Terra. Alcuni dei più antichi fossili di organismi più complessi risalgono a circa 2 miliardi di anni fa. Si trovano in Australia.
Oltre ai cambiamenti nella vita e nell’atmosfera, altri cambiamenti sono avvenuti dalla prima formazione della Terra. Le prime eruzioni vulcaniche sulla Terra hanno rilasciato grandi quantità di vapore acqueo nell’atmosfera. Il vapore acqueo si condensò lentamente e ritornò sulla superficie terrestre sotto forma di pioggia. Questo formò gli oceani. L’acqua cominciò a circolare sulla Terra, ed eventi come le piogge e le tempeste cominciarono a cambiare la superficie terrestre attraverso gli agenti atmosferici e l’erosione. Il capitolo sull’acqua dolce della Terra fornisce maggiori dettagli su come i cicli dell’acqua sulla Terra.
I continenti erano in posizioni molto diverse da quelle attuali. Gli scienziati non sanno come fosse esattamente la terraferma dopo la prima formazione del pianeta. Sanno che il Nord America e la Groenlandia formavano un’unica gigantesca massa terrestre chiamata Laurentia circa 1,8 miliardi di anni fa. Circa 1 miliardo di anni fa, l’Antartide potrebbe essere stata vicina all’equatore, anche se ora si trova al Polo Sud della Terra. Oggi, i continenti della Terra continuano a spostarsi lentamente intorno al globo.
Riassunto della lezione
- La Terra si è formata più di 4 miliardi di anni fa insieme agli altri pianeti del nostro sistema solare.
- La Terra primitiva non aveva uno strato di ozono ed era probabilmente molto calda. La Terra primitiva non aveva anche ossigeno libero.
- Senza un’atmosfera di ossigeno poche cose potevano vivere sulla Terra primitiva. I batteri anaerobici furono probabilmente i primi esseri viventi sulla Terra.
- La Terra primitiva non aveva oceani ed era spesso colpita da meteoriti e asteroidi. C’erano anche frequenti eruzioni vulcaniche. Le eruzioni vulcaniche rilasciavano vapore acqueo che alla fine si raffreddò per formare gli oceani.
- L’atmosfera divenne lentamente più ricca di ossigeno quando la radiazione solare scisse le molecole d’acqua e i cianobatteri iniziarono il processo di fotosintesi. Alla fine l’atmosfera divenne come è oggi e ricca di ossigeno.
- I primi organismi complessi sulla Terra si svilupparono circa 2 miliardi di anni fa.
Domande di ripasso
- Descrivi come i diversi strati della Terra variano per densità. Quando si sono separati i materiali che compongono la Terra in base alla densità?
- Spiega due ragioni per cui avere un’atmosfera ricca di ossigeno è importante per la vita sulla Terra.
- Gli scienziati credono che lo strato di ozono della Terra si stia riducendo a causa delle attività umane e dell’inquinamento atmosferico. Che effetto potrebbe avere sulle forme di vita della Terra?
- Descrivi il ruolo dei cianobatteri nel cambiare la prima atmosfera della Terra.
- Elenco tre modi in cui la Terra era diversa oggi da quando si è formata.
- Supponiamo che la Terra fosse stata molto più fredda quando si è formata. In che modo l’interno della Terra sarebbe stato diverso da com’è oggi?
Vocabolario
atmosfera La miscela di gas che circonda la Terra e contiene l’aria che respiriamo. condensata Raffreddata e trasformata da vapore acqueo in acqua liquida. densità Densità significa massa per unità di superficie. molecole La più piccola quantità possibile di una sostanza chimica. radiazione Energia emessa dal Sole. specie Un gruppo di esseri viventi che hanno caratteristiche simili. acqua Vapore d’acqua in forma di gas.
Punti da considerare
- Come si è sviluppata la vita sulla Terra da semplici batteri a organismi più complessi?
- Quando sono apparsi sulla Terra organismi complessi come pesci, rettili e mammiferi?
- Quando si sono formate le principali caratteristiche della Terra che conosciamo oggi?