2.1. Pământul. Caracteristici generale

Intuiție

Cântărește Pământul și împarte la volum: ies cam 5,5 g/cm³. Rocile pe care călcăm au 2,7. Diferența nu poate fi ascunsă decât într-un singur loc: în adânc trebuie să existe ceva mult mai greu. Planeta este stratificată ca un ou, nu omogenă ca o bilă de lut.

2.1.1. Formă, dimensiuni, masă

Pământul este, în primă aproximație, o sferă; în realitate, rotația îi imprimă o ușoară turtire la poli, astfel încât forma sa geometrică de referință este un elipsoid de rotație cu raza ecuatorială de aproximativ 6 378 km și raza polară de aproximativ 6 357 km, diferența fiind de numai 21 km (turtire de circa 1/298). Raza medie, folosită în calculele curente, este de 6 371 km. Suprafața fizică reală – cu munți de aproape 9 km înălțime și fose oceanice de 11 km adâncime – se abate de la elipsoid cu mai puțin de 0,2 % din rază: la scara planetei, relieful este neglijabil. Forma echipotențială a câmpului gravitațional, care coincide cu nivelul mediu al oceanelor prelungit sub continente, se numește geoid; față de elipsoid, geoidul prezintă ondulații de ordinul zecilor de metri, care reflectă neomogenități de densitate din interiorul planetei (Fowler, 2005).

Masa Pământului, determinată din constanta gravitațională și din mișcarea sateliților, este de aproximativ \(5{,}97 \times 10^{24}\) kg, iar volumul de circa \(1{,}08 \times 10^{21}\) m\(^3\). Raportul dintre ele conduce la o densitate medie de circa 5 515 kg/m\(^3\), adică 5,51 g/cm\(^3\) (Fowler, 2005):

(2.1)\[ \bar{\rho} = \frac{M}{V} = \frac{5{,}97 \times 10^{24}\ \text{kg}}{1{,}08 \times 10^{21}\ \text{m}^3} \approx 5{,}5 \times 10^{3}\ \text{kg/m}^3 , \]

în care \(M\) este masa și \(V\) volumul planetei.

2.1.2. Argumentul densității: un interior stratificat

Valoarea densității medii este remarcabilă dacă o comparăm cu densitatea rocilor pe care le întâlnim la suprafață. Granitele au densități de 2,6–2,7 g/cm\(^3\), calcarele și gresiile de 2,2–2,7 g/cm\(^3\), bazaltele de 2,9–3,0 g/cm\(^3\), iar peridotitele mantalei superioare, aduse la suprafață în unele masive, de circa 3,3 g/cm\(^3\) (Capitolul 3). Densitatea medie a scoarței continentale este de circa 2,7–2,8 g/cm\(^3\), adică practic jumătate din densitatea medie a planetei. Rezultă în mod necesar că interiorul Pământului este alcătuit din materiale mult mai dense decât rocile de la suprafață, deci că planeta este stratificată, cu densitatea crescând spre centru. Această concluzie este confirmată de momentul de inerție al Pământului: valoarea \(I/(MR^2) \approx 0{,}33\), mai mică decât \(0{,}40\) corespunzătoare unei sfere omogene, arată că masa este concentrată spre centru (Fowler, 2005). Modelele seismologice moderne indică densități de aproximativ 13 g/cm\(^3\) în centrul planetei (Tabelul 2.1).

Stratificarea în învelișuri concentrice este consecința diferențierii timpurii a planetei, în urmă cu peste 4,5 miliarde de ani: într-un Pământ inițial parțial topit, fierul și nichelul, mai dense, au migrat spre centru formând nucleul, în timp ce silicații mai ușori au format mantaua, iar din aceasta, prin topiri parțiale repetate, s-a separat scoarța. Căldura reziduală a acestei acreții, la care se adaugă căldura produsă continuu prin dezintegrarea izotopilor radioactivi de uraniu, toriu și potasiu, constituie motorul tuturor proceselor geologice interne (endogene): convecția din manta, mișcarea plăcilor, magmatismul, metamorfismul și cutremurele (Turcotte și Schubert, 2014).

2.1.3. Învelișurile externe

Partea solidă a planetei (geosfera) este înconjurată de trei învelișuri externe aflate în permanentă interacțiune cu ea. Atmosfera este învelișul gazos (azot, oxigen, argon, dioxid de carbon, vapori de apă) care, prin vânt, precipitații, variații de temperatură și prin agenții chimici pe care îi conține (oxigen, dioxid de carbon), este principalul factor al alterării rocilor. Hidrosfera cuprinde oceanele (care acoperă circa 71 % din suprafață, cu adâncimi medii de aproape 4 km), apele de suprafață continentale, ghețarii și apele subterane; apa este cel mai important agent de eroziune, transport și sedimentare și, totodată, factorul geotehnic dominant în comportarea terenurilor de fundare. Biosfera – totalitatea organismelor vii – participă la alterarea biochimică a rocilor, la formarea solurilor și a unor roci sedimentare (calcare organogene, cărbuni); prin activitatea umană, ea a devenit un agent geologic de prim ordin. Energia proceselor care au loc la contactul dintre aceste învelișuri și geosferă – procesele geologice externe (exogene) – provine, în esență, de la Soare și din gravitație (Secțiunea 2.5).