Course Syllabus
Obiettivi
Il corso introduce lo studio della struttura, composizione, evoluzione e dinamica degli interni planetari, con particolare riferimento ai corpi del Sistema Solare. Saranno affrontati i principali processi che governano l’evoluzione interna dei pianeti, tra cui accrezione, differenziazione, formazione del nucleo, convezione del mantello, trasferimento di calore, transizioni di fase, dinamica del nucleo e generazione dei campi magnetici.
Particolare attenzione sarà dedicata alle relazioni tra composizione chimica, mineralogia ad alte pressioni e temperature, proprietà fisico-chimiche dei materiali e struttura interna dei pianeti. Una parte del corso sarà inoltre dedicata ai metodi sperimentali e analitici utilizzati per studiare materiali in condizioni estreme, incluse tecniche ad alta pressione e temperatura, spettroscopie, diffrazione a raggi X e misure presso grandi sorgenti di luce di sincrotrone.
Il corso mira anche a sviluppare competenze di analisi critica, interpretazione di dati sperimentali e modellistici, e comunicazione scientifica, anche attraverso seminari in lingua inglese. Il percorso formativo potrà concludersi con una visita didattica a una grande sorgente di luce di sincrotrone.
Conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso lo studente conoscerà i principali processi che controllano la struttura e l’evoluzione degli interni planetari, e comprenderà le relazioni tra composizione chimica, mineralogia, condizioni di pressione-temperatura e proprietà fisico-chimiche dei materiali profondi.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Al termine del corso lo studente sarà in grado di applicare le conoscenze acquisite all’analisi e interpretazione di dati sperimentali, geochimici, geofisici e modellistici relativi agli interni planetari. Saprà inoltre collegare transizioni di fase, equazioni di stato, densità, proprietà elastiche e flussi di calore alla struttura ed evoluzione dei pianeti.
Autonomia di giudizio
Al termine del corso lo studente sarà in grado di valutare criticamente modelli teorici, risultati sperimentali e interpretazioni geofisiche riguardanti gli interni planetari. Sarà inoltre capace di selezionare gli approcci sperimentali, analitici o modellistici più appropriati per affrontare semplici quesiti scientifici sulla composizione e dinamica interna dei pianeti.
Abilità comunicative
Al termine del corso lo studente avrà acquisito un linguaggio tecnico adeguato alla descrizione dei processi fisici, chimici e mineralogici degli interni planetari. Le attività seminariali in lingua inglese contribuiranno allo sviluppo della capacità di presentare e discutere articoli scientifici in modo chiaro e sintetico.
Capacità di apprendere
Al termine del corso lo studente avrà acquisito un metodo di apprendimento autonomo e critico per approfondire tematiche di geologia, geofisica, geochimica, mineralogia e scienze planetarie, con competenze trasferibili anche alla ricerca sui materiali, alle tecnologie spaziali e all’analisi di dati sperimentali e modellistici.
Contenuti sintetici
Il corso introduce i principali processi che controllano la struttura, composizione ed evoluzione degli interni planetari, a partire dalla formazione del Sistema Solare, dall’accrezione e dalla differenziazione dei corpi planetari.
Saranno trattati gli interni dei pianeti terrestri, della Luna e dei pianeti giganti, con attenzione a transizioni di fase, convezione del mantello, evoluzione termica, dinamica del nucleo, generazione dei campi magnetici e ruolo degli elementi volatili.
La parte finale del corso sarà dedicata ai metodi sperimentali e analitici utilizzati per studiare i materiali planetari in condizioni estreme, inclusi accenni a tecniche ad alta pressione e temperatura, diffrazione, spettroscopie e misure presso grandi sorgenti di luce di sincrotrone.
Programma esteso
Lezioni frontali (4 CFU, 28 ore)
-
Fondamenti per lo studio degli interni planetari
1.1. Basi di cosmogeochimica e abbondanza degli elementi nel Sistema Solare
1.2. Meteoriti e ricostruzione della storia primordiale del Sistema Solare
1.3. Classificazione delle meteoriti e vincoli sulla composizione dei corpi planetari
1.4. Formazione del Sistema Solare: accrezione, riscaldamento radiogenico e differenziazione
1.5. Oceani di magma, segregazione del nucleo e formazione degli involucri planetari
1.6. Principi generali di evoluzione termica dei corpi planetari -
Pianeti terrestri
2.1. La Terra profonda: struttura interna, PREM, crosta, mantello e nucleo
2.2. Transizioni di fase nel mantello terrestre: olivina, wadsleyite, ringwoodite, bridgmanite e ferropericlase
2.3. Discontinuità sismiche, zona di transizione, limite nucleo-mantello e regione Dʺ
2.4. Flusso di calore, convezione del mantello ed evoluzione termica della Terra
2.5. Cicli profondi di acqua, carbonio e zolfo; volatili nel mantello e nel nucleo
2.6. Reazioni al confine nucleo-mantello e interazione tra reservoir profondi
2.7. La Luna: formazione, differenziazione, struttura interna ed evoluzione termica
2.8. Marte: vincoli sismologici dalla missione InSight, struttura interna, mineralogia del mantello, nucleo e flusso di calore
2.9. Mercurio e Venere: densità, momento d’inerzia, vincoli gravitazionali, stato del nucleo e dinamo -
Pianeti giganti
3.1. Composizione chimica dei pianeti giganti e vincoli dalla formazione del Sistema Solare
3.2. Equazioni di stato di miscele H-He e materiali leggeri in condizioni estreme
3.3. Metallizzazione dell’idrogeno e implicazioni per la struttura interna
3.4. Piogge di elio, separazione di fase e struttura interna di Giove e Saturno
3.5. Possibili piogge di diamanti nei pianeti giganti ghiacciati
3.6. Differenziazione e composizione di Giove, Saturno, Urano e Nettuno
3.7. Strati ricchi in acqua, ammoniaca e metano in Urano e Nettuno
3.8. Conduttività, dinamo planetarie e campi magnetici non assiali -
Tecniche sperimentali per lo studio delle profondità planetarie
4.1. Celle a incudine di diamante e generazione di alte pressioni statiche
4.2. Riscaldamento laser e misure in situ ad alta pressione e temperatura
4.3. Diffrazione a raggi X e spettroscopie in condizioni estreme
4.4. Compressione dinamica: laser-shock, cannone a gas ed equazioni di stato
4.5. Grandi sorgenti: sincrotroni, laser a elettroni liberi e infrastrutture sperimentali avanzate
4.6. Tecniche analitiche in condizioni ambientali e non ambientali applicate ai materiali planetari
Esercitazioni (1 CFU, 12 ore)
Le esercitazioni prevedono attività seminariali e pratiche.
Gli studenti prepareranno e presenteranno in lingua inglese brevi seminari scientifici basati su articoli selezionati dal docente e coerenti con i contenuti del corso. L’attività ha l’obiettivo di sviluppare la capacità di leggere criticamente la letteratura scientifica, sintetizzare risultati complessi e comunicarli efficacemente.
Sono inoltre previste esercitazioni pratiche con software per l’analisi e la visualizzazione di dati derivanti da tecniche sperimentali applicate allo studio degli interni planetari. Tra i software e gli strumenti utilizzabili potranno essere inclusi GSAS-II, SYNCMoss, Origin o programmi equivalenti per l’analisi di dati di diffrazione, spettroscopia e proprietà fisico-chimiche dei materiali.
Laboratori (1 CFU, 12 ore)
Le attività di laboratorio saranno dedicate all’introduzione e all’utilizzo partecipato di metodi sperimentali e tecniche analitiche impiegate nello studio dei materiali planetari in condizioni estreme.
Le attività potranno includere:
- introduzione all’utilizzo della cella a incudine di diamante;
- tecniche Raman e spettroscopiche applicate a materiali geologici e planetari;
- analisi di dati sperimentali raccolti in condizioni ambientali e non ambientali;
- discussione di esperimenti ad alta pressione e alta temperatura;
- visita didattica a una grande sorgente di luce di sincrotrone, ad esempio Grenoble, per osservare direttamente esperimenti e tecniche avanzate applicate allo studio dei materiali planetari.
Prerequisiti
Non sono previste propedeuticità obbligatorie. È tuttavia consigliata una conoscenza di base di mineralogia, petrologia, geochimica e geofisica.
Si raccomanda di seguire il corso in abbinamento ad altri insegnamenti a carattere minero-petrografico, geochimico e geofisico, quali Metodi Strumentali di Indagine Mineralogica, Petrogenesi degli Ambienti Geodinamici, Geocronologia e Archeometria, Mineralogia Industriale e Ambientale e insegnamenti affini di geofisica.
Il corso è inoltre fortemente complementare all’insegnamento Planetary Surface Dynamics, dedicato agli aspetti legati ad atmosfere, processi superficiali, geomorfologia planetaria, tettonica superficiale, crateri da impatto, telerilevamento e studio delle superfici dei corpi planetari.
Modalità didattica
Il corso è erogato in lingua inglese e prevede:
28 ore di didattica frontale, 4 CFU, svolte principalmente in aula, durante le quali verranno trattati gli aspetti teorici fondamentali della dinamica degli interni planetari e saranno illustrati casi di studio relativi alla Terra e ad altri corpi del Sistema Solare.
12 ore di esercitazioni, 1 CFU, svolte in presenza, dedicate alla partecipazione attiva degli studenti mediante seminari scientifici in lingua inglese e attività pratiche di analisi dati.
12 ore di laboratorio, 1 CFU, durante le quali gli studenti parteciperanno all’osservazione e applicazione di metodi sperimentali e tecniche analitiche utilizzate nello studio delle profondità planetarie, incluse eventualmente attività presso laboratori o grandi infrastrutture di ricerca.
Materiale didattico
Oltre alle dispense del corso e al materiale fornito dal docente, basati anche sull’esperienza diretta in laboratorio e presso grandi infrastrutture sperimentali, si consigliano i seguenti testi per l’approfondimento degli argomenti trattati:
Andrew Putnis, Introduction to Mineral Sciences. Cambridge University Press.
Deep Carbon: Past to Present. Cambridge University Press.
Planetary Mineralogy. EMU Notes in Mineralogy, vol. 15. European Mineralogical Union.
Eventuali articoli scientifici e review aggiornate saranno forniti dal docente durante il corso e costituiranno materiale di riferimento per le esercitazioni seminariali.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Il corso si svolge nel secondo semestre del primo anno della laurea magistrale, indicativamente dall’inizio di marzo alla fine di maggio, con una pausa durante il periodo pasquale.
La visita didattica a una grande sorgente di luce di sincrotrone è prevista indicativamente nei mesi di giugno o luglio, compatibilmente con la disponibilità della struttura ospitante e con l’organizzazione logistica.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La modalità di verifica e valutazione comprende:
- elaborazione di un progetto originale basato su una ricerca scientifica pubblicata, scelto su un tema concordato con il docente, anche ipotetico, che integri i contenuti scientifici e le tecniche trattate durante il corso;
- colloquio orale incentrato sul progetto sviluppato e sugli argomenti affrontati a lezione;
- valutazione della partecipazione alle esercitazioni, inclusa la qualità del seminario scientifico in lingua inglese.
La valutazione complessiva terrà conto della chiarezza espositiva, della capacità di sintesi, della correttezza scientifica, della capacità di collegare aspetti teorici, sperimentali e modellistici, nonché dell’originalità e dell’approccio critico nell’impostare un problema di ricerca.
Verranno inoltre valutate la capacità di interpretare dati sperimentali o modellistici, la comprensione dei processi fisico-chimici che regolano gli interni planetari e la capacità di comunicare contenuti scientifici complessi in modo efficace.
Il superamento del corso richiede il raggiungimento di una valutazione complessiva pari ad almeno 18/30.
Una possibile articolazione del voto finale è la seguente:
progetto scritto o relazione scientifica: fino a 15 punti;
colloquio orale sugli argomenti del corso e sul progetto: fino a 10 punti;
seminario in lingua inglese e partecipazione alle esercitazioni: fino a 5 punti.
Orario di ricevimento
Tutti i giorni lavorativi della settimana negli orari di ufficio, previo appuntamento, compatibilmente con gli impegni didattici, istituzionali e fuori sede del docente.
Sustainable Development Goals
Aims
The course introduces students to the study of the structure, composition, evolution and dynamics of planetary interiors, with particular reference to bodies of the Solar System. The main processes governing the internal evolution of planets will be addressed, including accretion, differentiation, core formation, mantle convection, heat transfer, phase transitions, core dynamics and the generation of magnetic fields.
Particular attention will be devoted to the relationships between chemical composition, high-pressure and high-temperature mineralogy, the physicochemical properties of materials and the internal structure of planets. Part of the course will also focus on the experimental and analytical methods used to study materials under extreme conditions, including high-pressure and high-temperature techniques, spectroscopies, X-ray diffraction and measurements at large synchrotron radiation facilities.
The course also aims to develop skills in critical analysis, interpretation of experimental and modelling data, and scientific communication, including through seminars in English. The teaching programme may conclude with an educational visit to a large synchrotron radiation facility.
Knowledge and understanding
By the end of the course, students will know the main processes controlling the structure and evolution of planetary interiors, and will understand the relationships between chemical composition, mineralogy, pressure-temperature conditions and the physicochemical properties of deep planetary materials.
Applying knowledge and understanding
The students will be able to apply the acquired knowledge to the analysis and interpretation of experimental, geochemical, geophysical and modelling data related to planetary interiors. They will also be able to relate phase transitions, equations of state, density, elastic properties and heat flows to the structure and evolution of planets.
Making judgements
The students will be able to critically evaluate theoretical models, experimental results and geophysical interpretations concerning planetary interiors. They will also be able to select the most appropriate experimental, analytical or modelling approaches to address simple scientific questions on the composition and internal dynamics of planets.
Communication skills
By the end of the course, students will have acquired an appropriate technical vocabulary to describe the physical, chemical and mineralogical processes characterising planetary interiors. Seminar activities in English will contribute to developing the ability to present and discuss scientific papers clearly and concisely.
Learning skills
The students will acquire an autonomous and critical learning method to further explore topics in geology, geophysics, geochemistry, mineralogy and planetary sciences, with skills transferable to materials research, space technologies and the analysis of experimental and modelling data.
Contents
The course introduces the main processes controlling the structure, composition and evolution of planetary interiors, starting from the formation of the Solar System, the accretion and differentiation of planetary bodies.
The interiors of terrestrial planets, the Moon and giant planets will be discussed, with particular attention to phase transitions, mantle convection, thermal evolution, core dynamics, generation of magnetic fields and the role of volatile elements.
The final part of the course will be devoted to the experimental and analytical methods used to study planetary materials under extreme conditions, including an introduction to high-pressure and high-temperature techniques, diffraction, spectroscopies and measurements at large synchrotron radiation facilities.
Detailed program
Lectures (4 CFU, 28 hours)
-
Foundations for the study of planetary interiors
1.1. Basics of cosmogeochemistry and elemental abundances in the Solar System
1.2. Meteorites and the reconstruction of the early history of the Solar System
1.3. Classification of meteorites and constraints on the composition of planetary bodies
1.4. Formation of the Solar System: accretion, radiogenic heating and differentiation
1.5. Magma oceans, core segregation and formation of planetary internal layers
1.6. General principles of the thermal evolution of planetary bodies -
Terrestrial planets
2.1. The deep Earth: internal structure, PREM, crust, mantle and core
2.2. Phase transitions in the Earth’s mantle: olivine, wadsleyite, ringwoodite, bridgmanite and ferropericlase
2.3. Seismic discontinuities, transition zone, core-mantle boundary and the Dʺ region
2.4. Heat flow, mantle convection and thermal evolution of the Earth
2.5. Deep cycles of water, carbon and sulfur; volatiles in the mantle and core
2.6. Reactions at the core-mantle boundary and interaction between deep reservoirs
2.7. The Moon: formation, differentiation, internal structure and thermal evolution
2.8. Mars: seismological constraints from the InSight mission, internal structure, mantle mineralogy, core and heat flow
2.9. Mercury and Venus: density, moment of inertia, gravitational constraints, state of the core and dynamo -
Giant planets
3.1. Chemical composition of giant planets and constraints from Solar System formation
3.2. Equations of state of H-He mixtures and light materials under extreme conditions
3.3. Metallization of hydrogen and implications for internal structure
3.4. Helium rain, phase separation and internal structure of Jupiter and Saturn
3.5. Possible diamond rain in icy giant planets
3.6. Differentiation and composition of Jupiter, Saturn, Uranus and Neptune
3.7. Water-, ammonia- and methane-rich layers in Uranus and Neptune
3.8. Conductivity, planetary dynamos and non-axial magnetic fields -
Experimental techniques for the study of planetary interiors
4.1. Diamond anvil cells and generation of high static pressures
4.2. Laser heating and in situ measurements at high pressure and temperature
4.3. X-ray diffraction and spectroscopies under extreme conditions
4.4. Dynamic compression: laser shock, gas gun experiments and equations of state
4.5. Large-scale facilities: synchrotrons, free-electron lasers and advanced experimental infrastructures
4.6. Analytical techniques under ambient and non-ambient conditions applied to planetary materials
Practical classes (1 CFU, 12 hours)
The practical classes include seminar and hands-on activities.
Students will prepare and present short scientific seminars in English based on papers selected by the lecturer and consistent with the course contents. This activity aims to develop the ability to critically read the scientific literature, synthesize complex results and communicate them effectively.
Practical sessions with software for the analysis and visualization of data derived from experimental techniques applied to the study of planetary interiors are also planned. The software and tools may include GSAS-II, SYNCMoss, Origin or equivalent programs for the analysis of diffraction, spectroscopy and physicochemical property data.
Laboratory activities (1 CFU, 12 hours)
Laboratory activities will be devoted to the introduction and participatory use of experimental methods and analytical techniques employed in the study of planetary materials under extreme conditions.
Activities may include:
- introduction to the use of the diamond anvil cell;
- Raman and spectroscopic techniques applied to geological and planetary materials;
- analysis of experimental data collected under ambient and non-ambient conditions;
- discussion of high-pressure and high-temperature experiments;
- educational visit to a large synchrotron radiation facility, such as Grenoble, to directly observe experiments and advanced techniques applied to the study of planetary materials.
Prerequisites
There are no mandatory prerequisites. However, basic knowledge of mineralogy, petrology, geochemistry and geophysics is recommended.
Students are advised to take this course in combination with other mineralogical-petrographic, geochemical and geophysical courses, such as Instrumental Methods in Mineralogical Investigation, Petrogenesis of Geodynamic Environments, Geochronology and Archaeometry, Industrial and Environmental Mineralogy, and related geophysics courses.
The course is also strongly complementary to Planetary Surface Dynamics, which focuses on atmospheres, surface processes, planetary geomorphology, surface tectonics, impact cratering, remote sensing and the study of planetary surfaces.
Teaching form
The course is taught in English and includes:
28 hours of lectures, 4 CFU, mainly held in the classroom. These lectures will cover the fundamental theoretical aspects of the dynamics of planetary interiors and will include case studies related to the Earth and other bodies of the Solar System.
12 hours of practical classes, 1 CFU, held in person and dedicated to the active participation of students through scientific seminars in English and practical data-analysis activities.
12 hours of laboratory activities, 1 CFU, during which students will participate in the observation and application of experimental methods and analytical techniques used in the study of planetary interiors, possibly including activities in laboratories or at large-scale research facilities.
Textbook and teaching resource
In addition to the course slides and materials provided by the lecturer, also based on direct experience in the laboratory and at large-scale experimental facilities, the following texts are recommended for further study of the topics covered:
Andrew Putnis, Introduction to Mineral Sciences. Cambridge University Press.
Deep Carbon: Past to Present. Cambridge University Press.
Planetary Mineralogy. EMU Notes in Mineralogy, vol. 15. European Mineralogical Union.
Additional scientific papers and up-to-date review articles will be provided by the lecturer during the course and will serve as reference material for the seminar activities.
Semester
The course takes place in the second semester of the first year of the Master’s degree programme, indicatively from early March to late May, with a break during the Easter period.
The educational visit to a large synchrotron radiation facility is indicatively planned for June or July, depending on the availability of the host facility and logistical arrangements.
Assessment method
Assessment will include:
- preparation of an original project based on a published scientific study, on a topic agreed with the lecturer, possibly hypothetical, integrating the scientific contents and techniques covered during the course;
- an oral examination focused on the developed project and on the topics discussed during the lectures;
- evaluation of participation in the practical classes, including the quality of the scientific seminar delivered in English.
The overall assessment will take into account clarity of presentation, ability to synthesize information, scientific accuracy, the ability to connect theoretical, experimental and modelling aspects, as well as originality and critical thinking in framing a research problem.
The ability to interpret experimental or modelling data, the understanding of the physicochemical processes governing planetary interiors, and the ability to communicate complex scientific content effectively will also be assessed.
The course is passed with a minimum final grade of 18/30.
A possible breakdown of the final grade is as follows:
written project or scientific report: up to 15 points;
oral examination on the course topics and the project: up to 10 points;
seminar in English and participation in practical classes: up to 5 points.
Office hours
Every working day during office hours, by appointment, depending on the lecturer’s teaching, institutional and off-campus commitments.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Valerio Cerantola
