Course Syllabus
Obiettivi
Fornire allo studente una conoscenza di importanti fenomeni geofisici, relativi soprattutto alla parte meno profonda della terra, coerentemente al taglio principalmente geologico-ambientale e applicativo del corso di laurea. Fornire allo studente le conoscenze necessarie per pianificare, eseguire e presentare un progetto di calcolo analitico/numerico relativo ad una tematica di interesse per la geofisica.
Contenuti sintetici
Rotazione terrestre e sue variazioni. Generalità sulla forma della Terra. Campo gravitazionale della Terra. Il geoide. Maree. Prospezioni gravimetriche. Campo magnetico terrestre e sue variazioni temporali. Il vento solare. Legge dell'induzione elettro-magnetica. Prospezioni geomagnetiche. Resistività e conduttività elettrica. Cenni alle prospezioni geoelettriche. Prospezioni sismiche. Equazioni delle onde elastiche (1D). Proprietà termiche delle rocce. Trasferimento di energia termica nel suolo. Prospezioni geotermiche. Radioattività delle rocce. Equazioni del decadimento radioattivo. Prospezioni radioattive. Sismologia. Meccanismi di genesi dei terremoti.
Laboratorio di risoluzione di problemi relativi alla Geofisica della Terra Solida, illustrati nelle ore di lezione teorica, con strumenti computazionali e attraverso progetti condivisi su piattaforme di calcolo.
Programma esteso
Gravità e moti rotatori. Legge di gravitazione universale. Forza e accelerazione gravitazionale tra corpi puntiformi e corpi estesi. Energia potenziale gravitazionale e lavoro. Potenziale gravitazionale. Superfici equipotenziali. Accelerazione centripeta. Geopotenziale. Geoide. Misure da satellite. Maree. Momento di inerzia. Conservazione del momento angolare e dell'energia di rotazione. Variazioni del periodo di rotazione terrestre. Variazioni della posizione dell'asse di rotazione terrestre. Oscillazione di Chandler. Prospezioni gravimetriche. Misure assolute di gravità: il pendolo, il metodo a caduta libera, il metodo a spinta e caduta libera. Misure relative di gravità: il gravimetro. Correzioni alle misure di gravità: latitudine, maree, correzione di aria libera, correzione per la piastra di Bouguer, correzione topografica. Interpretazione delle anomalie di gravità
Magnetismo. Forza magnetica. Potenziale magnetico. Campo di dipolo magnetico. Metodo di Gauss. Momento magnetico. Magnetizzazione. Suscettività magnetica. Forza di Lorentz. Proprietà magnetiche dei materiali. Diamagnetismo. Paramagnetismo. Ferromagnetismo. Anisotropie magnetiche. Domini singoli e multipli. Magnetizzazione delle rocce: magnetizzazione indotta e permanente (sedimentaria e termopermanente). Geomagnetismo. Inclinazione e declinazione. Campo geomagnetico di riferimento internazionale. Variazioni temporali del campo magnetico: variazioni secolari, inversioni del campo, variazioni diurne. Modelli. Dinamo magnetica. Prospezioni magnetiche. Magnetometri. Correzioni alle misure: temporali, latitudine, altitudine. Interpretazioni delle anomalie magnetiche. Rapporto di Konigsberger.
Termodinamica. Gradiente termico. Gradiente adiabatico, gradiente della temperatura di fusione. Trasporto di calore. Conduzione termica. Equazione del flusso di calore. Penetrazione del calore esterno nel suolo. Convezione. Cenni alla modellistica geodinamica (eq. di continuità, eq. di Navier-Stokes, eq. di convezione-diffusione del calore). Misure geotermiche. Termistori: termocoppie, termoresistenze. Regimi transitori per la stima della conduttività termica.
Elettricità. Forza di Coulomb. Potenziale elettrico. Tensione. Resistività . Proprietà elettriche della materia. Geoelettricità . Prospezione elettrica. Metodo a quattro elettrodi.
Radioattività. Struttura atomica. Isotopi. Decadimenti radioattiviti: alfa e beta. Costante di decadimento. Tempo di dimezzamento. Metodi di datazione: Radiocarbonio. Metodi di datazione: Stronzio-rubidio; potassio-argon; uranio-piombo. Lo spettrometro di massa.
Sismica. Elasticità. Legge di Hooke. Tensore degli sforzi. Matrice di deformazione: deformazione longitudinale e distorsione. Modulo di Young e di rigidità . Onde sismiche. Onde di compressione (onde P). Equazione dell'onda in una dimensione. Velocità di propagazione. Energia dell'onda e sua attenuazione. Onde trasversali (onde S). Onde di superficie (onde di Love e di Rayleigh). Propagazione delle onde: rifrazione e riflessione. Angolo critico. Sismometro e sismogramma. Errori della misura. Cenni alla prospezione sismica passiva e struttura interna della Terra. Terremoti. Intensità e magnitudine. Determinazione dei parametri: metodo diretto e metodo inverso.
ESPERIENZE DI LABORATORIO
Attivita' pratiche per l'ideazione, la realizzazione e la presentazione di un progetto scientifico relativo ad una tematica di interesse per la Geofisica della Terra Solida. Attivita' pratiche di risoluzione di problemi geofisici attraverso metodi analitici e metodi numerici, e loro confronto. Utilizzo di piattaforme di calcolo condivisibili. Esercitazioni pratiche nei seguenti campi: (1) anomalie di gravita'; (2) rotazione terrestre; (3) flusso di calore terrestre; (4) radioattivita' e datazione delle rocce; (5) propagazione delle onde sismiche; (6) struttura della Terra; e (7) localizzazione di eventi sismici.
Prerequisiti
Fisica
Modalità didattica
Lezioni frontali (6CFU)
Laboratorio (2CFU)
Materiale didattico
Dispense fornite dal docente
William Lowrie Fundamental of Geophysics, Cambridge University Press, 2007.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Modalità dell’esame:
Prova scritta (report finale di un progetto computazionale e progetto stesso) e prova orale (discussione sul progetto e colloquio sugli argomenti svolti a lezione).
I candidati dovranno consegnare il report finale di un progetto e il progetto stesso, come illustrato durante le ore di laboratorio, almeno una settimana prima del giorno della prova orale. Ciascuna delle due prove contribuisce per il 40-60% del voto finale. Per accedere alla prova orale è necessario ottenere una valutazione minima di 15/30 nella prova scritta. Il superamento della prova scritta dà diritto a sostenere fino ad un massimo di due prove orali.
Valutazione dell’esame:
- Voto in trentesimi
La valutazione della relazione si basa sia sul progetto che sulla presentazione e discussione del progetto. In particolare vengono valutati:
- i dati analizzati;
- quanto lo script usato è modificato rispetto a quello usato a laboratorio;
- la chiarezza espositiva, la completezza delle informazioni (ivi comprese quelle incluse nelle immagini inserite).
La valutazione delle conoscenze sugli argomenti svolti a lezione si basa su:
- chiarezza espositiva;
- comprensione dei processi fisici;
- competenza sul linguaggio utilizzato;
- capacità di elaborazione personale a partire dai concetti discussi.
Orario di ricevimento
Contattare i docenti via email: claudia.pasquero@unimib.it, nicola.pianaagostinetti@unimib.it, simone.pilia@unimib.it
Sustainable Development Goals
Aims
The student should acquire a knowledge of the geophyisical phenomena that are most relevant for geo-environmental applications, with a specific emphasis on the shallow Earth’s subsurface. The student should learn the basic knowledge needed to plan, execute and present a project focused on computational/analytical solutions of geophysical problems.
Contents
Earth rotation and its variations. Earth shape. Gravitational field of the Earth. Geoid. Tides. Gravimetric surveys. Magnetic field of the Earth and its temporal variations. Solar wind. Elettro-magnetic induction. Geomagnetic surveys. Electric resistivity and conductivity. Fundamentals of geoelettric prospects. Seismic surveys. Equations of the elastic waves (1D). Thermal properties of rocks. Thermal energy transfer in the soil. Geothermic surveys. Rock radioactivity. Equation of radioactive decay. Radioactive surveys. Seismology. Mechanisms for generation of earthquakes.
Laboratory time for addressing the main geophysical challenges illustrated during the theoretical lectures, thought the implementation of computational tools and shared computational resources.
Detailed program
Gravity and rotational motion: Universal gravitational law. Gravitational force and acceleration between bodies. Gravitational potential energy and work. Centripetal acceleration. Geopotential. Geoid. Satellite measurements of Earth gravity. Tides. Inertial moment. Angular momentum rotational energy conservation. Changes in the Earth rotation period. Chandler’s oscillation. Gravimetric analysis. Absolute gravity measurements: pendulum, free fall method, push and free fall method. Relative gravity measurements: Gravimeter. Corrections to gravity measurements: latitudinal, tidal, free air correction, Bouguer plate correction, topographic correction. Gravity anomaly interpretation.
Magnetism: Magnetic force. Magnetic potential. Magnetic dipole field. Gauss method. Magnetic moment. Magnetization. Magnetic susceptivity. Lorentz force. Magnetic properties of materials. Diamagnetism. Paramagnetism. Ferromagnetism. Magnetic anisotropies. Single and multiple domains. Rock magnetization: induced and permanent (sedimentary and thermopermanent) magnetization. Geomagnetism. Inclination and declination. International geomagnetic reference field. Temporal variations of the magnetic field: secular variations, field inversions, diurnal variations. Models. Magnetic dynamo. Magnetic analysis. Magnetometer. Measurement corrections: temporal, latitudinal, altitudinal. Magnetic anomaly interpretation. Konigsberger ratio.
Geothermy: Thermal gradient. Adiabatic gradient, melting temperature gradient. Heat transport. Thermal conductivity. Heat flux equation. Heat fluxes into the soil. Convection. Basics of geodynamical modelling (continuity equation, Navier-Stokes equation, convection-diffusion heat equation). Geothermal measurements. Thermistors: thermocouples, thermistors. Transient regimes for the estimation of thermal conductivity.
Electricity: Coulomb force. Electric potential. Electric tension. Electric resistance. Electrical properties of materials. Geoelectricity. Electric analysis. Four electrod method.
Radioactivity: Atomic structure. Isotopes. Radioactive decay: alpha and beta. Decay constant. Half-life time. Radioactive datation: radiocarbon, rubidium-strontium, potassium-argon, lead-uranium. Mass spectrometer.
Seismicity: Elasticity. Hooke law. Stress tensor. Deformation matrix: longitudinal deformation and distortion. Young modulus. Rigidity modulus. Seismic waves. Pressure waves (P waves). One dimensional wave equation. Propagation velocity. Wave energy and damping. Shear waves (S waves). Surface waves (Love and Rayleigh waves). Wave propagation: refraction and reflection. Critical angle. Seismometer and seismogram. Measurement errors. Fundamentals of passive seismic analysis and internal structure of the Earth. Earthquakes. Intensity and magnitude. Parameter determination: direct and inverse method.
LABORATORY ACTIVITIES
Hands-on activities about the conception, realization and presentation of a scientific project related to a relevant themes in Solid Earth Geophysics. Hands-on activities for the solution of geophysical inverse problems through analytical and numerical methods, and their comparison. Use of shared computational resources. Hands-on activities for: (1) gravity anomalies; (2) Earth's rotation; (3) Heat flow; (4) Radioactivity and rock dating; (5) Seismic waves propagation; (6) Earth's structure; (7) Seismic event detection and localization.
Prerequisites
Physics
Teaching form
Frontal lectures (6 credits)
Laboratory (2 credits)
Textbook and teaching resource
William Lowrie Fundamental of Geophysics, Cambridge University Press, 2007.
Semester
First
Assessment method
Examination type:
Written (project report and computational project) and oral (discussion on topics covered during class) examinations.
Candidates must submit the final report of a project and the project itself, as illustrated during the laboratory time, at least one week before the oral examination. To be admitted to the oral exam it is necessary to pass the written part with a minimum grade of 15/30. This will grant access to a maximum of two oral tests.
Evaluation
The final degree is up to a maximum of 30/30.
The evaluation of the report is based both on the actual project and on its presentation and discussion. In particular, the following are evaluated:
- the data analysed;
- how much the script used has been modified compared to the one used in the lab sessions;
- the clarity of presentation, the completeness of the information (including that in the inserted images).
The assessment of knowledge on the topics covered in class is based on:
- clarity of expositions;
- understanding of physical processes;
- proficiency in the language used;
- personal processing capacity starting from the acquired concepts.
Office hours
Contact the instructors via email at claudia.pasquero@unimib.it, nicola.pianaagostinetti@unimib.it, simone.pilia@unimib.it
Sustainable Development Goals
Staff
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Claudia Pasquero
-
Nicola Piana Agostinetti
