L'evoluzione del pianeta Terra - SAIt.it · L'evoluzione del pianeta Terra . 3 2 ra Ph.D. Cristian...

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24/06/2013 1 Scuola estiva di Astronomia di Saltara Ph.D. Cristian Carli [email protected] L'evoluzione del pianeta Terra

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L'evoluzione del

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Geologia:

Inizi nellantica Grecia quando Theophrastus (372-287 a.c.) scrisse il Peri

Lithon. I romani iniziarono a catalogare alcune differenze dei materiali e Plinio

il vecchio scrisse in dettaglio alcune descrizio di molti minerali e metalli in uso

e inoltre descrisse correttamente lorigine dellambra.

la scienza che comprende lo studio della Terra solida, le rocce

di cui composta e i processi per i quali le rocce si modificano.

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Geologia planetaria o

planetologia:

Le scienze planetarie (o planetologia) lo studio scientifico dei pianeti

(inclusa la Terra), delle lune, e dei sistemi planetari, in particolare quelli

del sistema solare e i processi che li formano.

Un campo interdisciplinario * astronomia

* scienze terrestri

astronomia planetaria,

geologia planetaria

(insieme a geochimica

e geofisica),

studi dellatmosfera,

oceanografia,

idrologia,

scienze planetarie

teoriche,

glaciologia,

pianeti extrasolari.[1]

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Che cos la vita?

NASA definition:Life is a system able to self-maintain + self-replicate, [see 2, 3 and references therein]

Vedi lezione successiva del prof. Gallori E.

Condizioni affinch se presente la vita possa mantenersi e ad

un certo punto innescarsi

Queste condizioni si potrebbero presentare su pianeti di

caratteristiche diverse

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Vedi lezione successiva del prof. Gallori E.

Condizioni affinch la vita possa, una volta innescata,

mantenersi e svilupparsi fino a forme molto evolute

Queste condizioni si potrebbero presentare su pianeti con

caratteristiche simili alla Terra

NASA definition:Life is a system able to self-maintain + self-replicate, and capable of undergoing Darwinian evolution [see 2, 3 and references therein]

Che cos la vita?

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Il pianeta con il nome sbagliato

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Il pianeta con il nome sbagliato

Molto freddo

BrrrrrrrrrrBrrrrrrrrrr

Credi by NASA

Ice-planets

Distanze tra 20

e 40 UA

Temperature

tra -150 e

-210C

troposfera

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.

Il pianeta con il nome sbagliatoWooooow The Giants-planets

Distanze

tra 5 e

10 UA. Dimensioni tra 9 e 11

volte il raggio

terrestre

Credi by NASA

.

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Il pianeta con il nome sbagliato

Red-Earth Hot-Earth

ohh

Terra!

Distanze tra 0.3 (Mercurio) e 1.5 (Marte) UA

densit tra 5.427 g/cm3 e 3.9335 g/cm

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Il pianeta con il nome sbagliato

Air/clouds-planet

Distanze 0.7 UA

Pressione atmosferica

9.2 Mpa e temperatura

superficiale 462 C

Che nubi!

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Il pianeta con il nome sbagliato

H2O planet

Acquaaa!!

Distanze a 1.0 UA

Distese dacqua

superficiali = 71%

Abbondanza in

atmosfera di ca. 1%

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Condizioni fondamentali:

La vita su di un pianeta

presenza dacqua

presenza di un sistema genetico

Presenza di volatili durante la formazione

dei pianeti H2Ovapore e C,

Formazione di specchi dacqua (early

oceans)

Mantenimento dellacqua nellatmosfera,

importante greenhouse gas

presenza di una fonte di energia

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La vita su di un pianeta

Planetary habitability Abitabilit planetaria la misura del potenziale di un pianeta o satellite naturale di ospitare e

sostenere la vita. [4]

La NASA la definisce come la extended regions of liquid water,

conditions

favourable for the

assembly of com-

plex organic

molecules,

and energy sour-

ces to sustain

metabolism[4].

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La vita su di un pianeta

La vita potrebbe svilupparsi su di un pianeta/satellite o arrivare da

un altro corpo (panspermia) [5,6].

La Terra il punto fermo da cui si sono estrapolati i presupposti

per studiare le condizioni dove potrebbe esserci la vita e definire

una zona di abitabilit:

legata a

Caratteristiche della stella

La composizione totale

Alle caratteristiche dellorbita

Allatmosfera

Alle interazioni chimiche potenziali

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La vita su di un pianeta

Caratteristiche di pianeti che potrebbero ospitare la vita:

Pianeti terrestri con una massa di 1 volta di quella

terrestre

Orbita e rotazione devono permettere una minima

variazione termica e una stagionalit

Geochimica: in genere assunto che la vita necessiti

delle stesse fondamenta biochimiche viste sulla Terra,

poich C, H, O, e N, sono gli elementi chimici reattivi

pi comuni nelluniverso

Micro-ambienti nella definizione di abitabilit solo

una sottile porzione del pianet necessario supporti la

vita.

La definizione di Estremofili, organismi che resistono

in condizioni molto estreme ha allargato il bacino di

condizioni di abitabilit negli ultimi anni [7]

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La vita su di un pianeta

Evoluzione del pianeta:

legata a fattori geologici

Raffreddamento della crosta

Differenziazione

Formazione di un atmosfera e dei mari

Evoluzione Termica del pianeta

Evoluzione della crosta tettonica delle placche

vulcanismo processi di weathering variazioni climatiche

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Planetesimi si aggregano

La vita di un pianeta

1) Raffreddamento della crosta

La superficie di un pianeta molto calda e

tendenzialmente fusa (plastica)

Inizia una fase di raffreddamento

importante che porta alla formazione

della crosta primaria.

Modelli di Magma Ocean [8]

Luna

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La vita di un pianeta

2) Differenziazione

Nei primissimi anni di un pianeta

terrestre si forma

anche un processo di

differenziazione

verso il suo interno

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La vita di un pianeta

3) Formazione di un atmosfera e dei mari

Nel nostro sistema solare oltre alla Terra

presentano un atmosfera: Venere, Giove e

Saturno, Urano e Nettuno,

inoltre le lune: Io, Callisto, Europa,

Ganimede (Giove); Titano ed Encelado

(Saturno) Titania (Urano) e Triton (Nettuno),

Molto deboli sono presenti su Marte e

Plutone, mentre un esosfera presente su

Mercurio.

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La vita di un pianeta

4) Evoluzione Termica del pianeta

Levoluzione Termica direttamente legata alla

differenziazione nelle prime fasi.

Dipende inoltre da come il calore accumulato pu

essere dissipato e dalla composizione, in

particolare dalla presenza di elementi radiogenici

che favoriscono un ulteriore contributo di calore.

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La vita di un pianeta

5) Evoluzione della crosta tettonica delle placche

vulcanismo weathering variazioni climatiche

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La vita di un pianeta

Erosione Weathering chimico

Weathering fisico

5) Evoluzione della crosta tettonica delle placche

vulcanismo weathering variazioni climatiche

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La vita su di un pianeta dipende dalla vita del pianeta

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Datazione:

Geologia

assoluta relativa

Geological Time Scale GTS il sistema di cronologia che relaziona la

stratigrafia al tempo International Commission on Stratigraphy [9]Eone Era Periodo Epoca Et Cronozona

Datazione radiometrica:Sfrutta la conoscenza dellabbondanza e

del costante tempo di dimezzamento di

isotopi radioattivi

Permette di ordinare gli eventi

mettendoli in relazione.La presenza di alcuni marker permette di correlare eventi analoghi in posti diversi

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Rocce:

Geologia

Magmatiche

Metamorfiche Sedimentarie

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Tettonica a placche: la scienza che studia il movimento della litosfera terrestre.

Geologia

Deriva dei continenti / Espansione degli oceani

1596 profili dei continenti opposti

sullAtlantico

1895 luso della radioattivit e del calore

messo

1915 Wegner inizi a teorizzarla (The Origin of Continents and Oceans)

Accettata da ca. 1950

Eventi sismici, vulcanismo,

paleomagnetismo tutte conferme a

questa Teoria

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Motti convettivi nel mantello:

Geologia

Margini divergenti

Margini convergenti

Margini trasformi

Un movimento lento di

trasporto del calore

terrestre allinterno del

mantello, legato a celle

convettive (primario) o

a plume (secondario)

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James Ussher 4/01/1581 21/03/1656

La vita della Terra

23/10/4004 a.c.

Ore 9:00Nascita della Terra

Seguendo precisi calcoli effettuati

studiando attentamente la Bibbia

Seguirono altri calcoli, ma i conti di Ussher, ripotati nel

Annales Veteris Testamenti, a prima mundi origine deductisono quelli che maggiormente vengono considerati anche dai

Creazionisti

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Per studiare la storia della Terra, come si fa studiando la storia di una vita o di un

popolo, serve un orologio, ovviamente i minuti della terra sono molto lunghi

La vita della Terra

L infanzia della Terra, il periodo di

cui abbiamo meno informazioni dirette,

fondamentale per la vita.

LHaden, dalla formazione a circa 3.9-

3.8 *109 e lArcheano da 3.9-3.8 *109 a

2.5 *109.

A fine Precambriano 500 *106 la Terra

era gi adolescente con oceani e

continenti, la crosta primaria gi

modificata e la crosta secondaria e

terziaria gi presenti.

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Fin dai greci, nella nostra cultura, si iniziato a parlare del nostro

pianeta in termini geologici, ma non prima di un secolo dopo i

calcoli di Ussher si inizi a trovare un metodo per approfondire lo

studio dellet della Terra, e solo negli anni 50 del secolo scorso si

dat let simile a quella che oggi largamente riconosciuta.

La vita della Terra

Ad oggi datiamo la Terra:4.54 * 109 [10,11]

Il minerale pi antico dato:Zircone da Jack Hills in Western Australia 4.404 * 10

9[12,13]

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Haden (Pre-Archeano):

Circa i primi 600-700 milioni di et

La vita della Terra

Hades with Cerberus (Heraklion

Archaeological Museum) - King of the

underworld - God of the Dead and

Riches

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La vita della Terra

Haden (Pre-Archeano):

In questo eone importanti eventi hanno interessato la Terra ma solo

poche informazioni sono rimaste registrate sulla superficie

Le et della Luna per suddividere lAdeano:

Pre-Nectarian, dalla formazione della Luna a 3.92*10 9

Nectarian fino a circa 3.85*10 9 quando il Late Heavy Bombardment,

era in forte diminuzione.

Recentemente stata fatta una

nuova proposta [14]:

dove si sono considerati singoli

ritrovamenti per definire queste

et, future scoperte sono state

lasciate per una migliore

suddivisione.

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La vita della Terra

Haden (Pre-Archeano):

Poche rocce sono state datate

come pre-archeane

Western Greenland,

Northwestern Canada,

Western Australia

Dei sedimenti in Greenland, datati

3.8*109 includono dei Banded Iron

Bed (orizzonti ferriferi a bande -

BIF), che contengono del carbone

organico, che fa supporre che una

vita fotosintetica poteva gi essere

presente [15]

I pi vecchi minerali datati sono

precedenti a 4.0*109 anni

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Studi recenti su alcuni zirconi

hanno evidenziato che acqua

liquida poteva gi essere

presente a 4.4 * 109 [16]

La vita della Terra

Haden (Pre-Archeano):

Nel 2008 un altro studio su

zirconi Australiani dimostr che

rocce dell Hadean contengono

minerali che potrebber aver

subito deformazioni legate

allesistenza della tettonica a

placche gi 4.0 * 109.[17,18]

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La vita della Terra

Haden (Pre-Archeano): Atmosfera

Una certa quantit di acqua doveva

essere presente nel materiale che

form la Terra [19]

Un atmosfera ricca di rocce vaporizzate

si form e condens in poche migliaia di

anni con la formazione di una calda

(230C) (con CO2, H, H2Ovapore).

Durante il raffreddamento la CO2 si

disciolse negli oceani, sottratta

allatmosfera[20] Ciclo del Carbonio

Evoluzione simile potrebbe aver

caratterizzato anche Venere.

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La vita della Terra

Haden (Pre-Archeano): Atmosfera

Poich il Sole era pi debole di oggi [21],

la giovane Terra poteva anche essere

interessata da grandi glaciazioni.

Condizioni favorevoli allintrappolamento

dellH2O nonostante i forti e frequenti

impatti che avvenivano in quel periodo.

Venere pi vicina al Sole avrebbe

probabilmente avuto in quel periodo

condizioni pi miti, pi favorevoli, ma

questo potrebbe aver favorito

maggiormente la perdita del vapore

acqueo a seguito degli impatti[22].

Alternanza di Tempi glaciali e Tempi

infernali

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La vita della Terra

Haden (Pre-Archeano): Atmosfera

La presenza di un altro tipo di atmosfera stato teorizzato, considerando

ammonia e metano come greenhouse gasses [22].

Venere poteva avere oceani liquidi e presenza di una CO2 greenhouse, ma

disperdendo pi H nello spazio, mentre su Marte una atmosfera a CO2

CH4/NH3 poteva essere presente [22]

Ma atmosfere prebiotiche

cos riducenti sembrano

improbabili in un ambiente

di lave e materiale

mantellico, eiettato dagli

impatti, fortemente

ossidato [22].

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Archeano

La vita della Terra

4.0 *109 E la data ufficialmente riconosciuta come lInizio,

lOrigine, dal greco antico (Arkh)

E suddiviso in 4 Ere:

Eo-archeano

Paleo-archeano

Meso-archeano

Neo-archeano

Queste ere sono datate cronologicamente, nessuna

stratigraficamente.

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Eo

La vita della Terra

Archeano

Late Heavy Bombardment [23]

Formazione della prima crosta

differenziata

Inizialmente potevano ancora

esistere grandi campi lavici non

completamente solidificati

Quasi certamente erano

presenti anche i primi oceani

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La vita della Terra

Archeano

Eo

Prove:

3.80*109 Issua Belt SW Greenland

4.03*109 Acasta Gneiss, Canadian Shield

4.28*109 Nuvvuagittuq greenstone Belt N Qubec, in

Canada [24], recentemente scoperta e ancora

sotto attente investigazioni.[25]

Ipotesi Formulata:

Esistenza di un supercontinente gi in questa Era:

Vaalbara [26]

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La presenza di arricchimenti in 13C nei

carbonati inorganici presenti nelle rocce,

potrebbe essere relazionato al 12C

estratto dalla biosfera

La vita della Terra

Archeano

Eo

In rocce del SW Greenland, light carbon

stato ritrovato in inclusioni carbonacee in

apatiti [27].

Rocce sedimentarie di Isua, SW Greenland,

contengono minuti globuli di grafite con un

19 di 13C [28].

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Prove di questo periodo si trovano nei pochi cratoni molto

antichi:

La vita della Terra

Archeano

Paleo/Meso

A circa 3.0*109 viene ricostruito

la presenza del primo super

continente certo, lUr [29].

Le rocce eruttate hanno una

composizione ultrabasica e pi

magnesiaca delle attuali, infatti in

questa era sono datate molte delle

komatiiti, rocce che caratterizzano

lave molto fluide [30].

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Le poche evidenze legate a questa fase inducono

due diverse ipotesi:

La vita della Terra

Paleo/Meso

Archeano

1) una tettonica pi vigorosa e

quindi un pi veloce riciclo della

crosta, poich la Terra era pi

calda [31].

2) litosfera oceanica doveva

essere ancora galleggiante per la

subduzione e quindi i processi

erosivi furono i primi [31].

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Rocce di circa 3.5*109 evidenziano strutture

(fossili?) associabili anche con origine

biologica [32,32a,33].

Carbonati a 3.5*109 sono isotopicamente

simili a quelli attuali, tale caratteristica pu

essere spiegata solo con lattivit biologica

(ad es. la produzione di ossigeno da

fotosintesi) [34,35].

Altre evidenze si trovano in rocce da 3.3-2.5

*109 in S.Africa e in W.Australia [36,37,38].

Rocce con microstrutture carbonacee che

possono essere di origine biologica, inoltre

micro-fossili sono noti in depositi

volcanogenici a solfuri nel W.Australia,

indice di vita nei ridges medio oceanici nel

MesoArcheano [39,40].

La vita della Terra

Paleo/Meso

Archeano

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In questo periodo si ha la formazione

del supercontinente Kenorland [41]

La vita della Terra

Neo

Archeano

Circa 2.78 * 109 un intenso magmatismo

sottomarino (komatiiti) port alla

formazione di questo continente[41,42].

Lattivit idrotermale produsse elevate

quantit di mineralizzazioni a solfuri e le

Banded iron formation, in un bacino

darco anossico, seguito da eventi

orogenici con la messa in posto di

granitoidi (2.68*109).

Seguirono collisioni con altre terre

emerse come il cratone di Kaapvaal, e lo

Zimbabwe.

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Un ultimo importante evento da

segnalare in questa era linizio

della oxygen catastophe [44]

La vita della Terra

Neo

Archeano

La nuova attivit dei cianobatteri

porta a produrre per la prima volta

ossigeno e porta alla catastrofe di

molte delle forme di vita esistenti

che erano di tipo anossico

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Le Terre emerse alla fine di questo eone erano principalmente il

supercontinente Kenorland

La vita della Terra

Archeano

Le rocce sono vulcaniche, principalmente effusive, a composizione

komatiitica, molto fluide, basso contenuto di Si e alto contenuto di

Mg, sono stati rinvenuti depositi sedimentati che indicano la

presenza di continenti, processi di orogenesi potevano gi essersi

formati come indicato da alcune rocce granitiche

La presenza di questi depositi ci indicano che molti dei processi

geologi secondari come lerosione e la deposizione

funzionavano gi in modo analogo ai giorni nostri

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La vita della Terra

Archeano

La presenza dei processi di weathering simili ad oggi fondamentale,

la loro presenza legata alla formazione dei Clay minerals

minerali delle argille fillosilicati

The Mineral Honeycomb [45]

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Il vulcanismo, spesso submarino, presenta molti depositi di

solfuri massivi e o formazioni ferrose, indicandoci che si

trovavano condizioni molto anossiche [46]

La vita della Terra

Archeano

Fossili, soprattutto le

stromatoliti [47], ci indicano la

presenza della vita.

La tettonica a placche che

certamente dominer la storia del

nostro pianeta nel suo futuro (dal

proterozoico ai giorni nostri) inizi

sicuramente in questo eone [48]

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Proterozoico:

La vita della Terra

Deriva dal greco e significa la vita degli inizi o il primo vivente

E leone che va da 2.5*109 a 0.542 *109

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inizia con la formazione di catene

legate a collisioni continente-continente

La vita della Terra

Proterozoico:

2.1-2.0 Ga (Ga = billion year)

Transamazonian and Eburnean Orogens in

South America and West Africa;

~2.0 Ga Limpopo Belt in southern Africa;

1.91.8 Ga Trans-Hudson, Penokean,

TaltsonThelon, Wopmay, Ungava and

Torngat orogens in North America,

Nagssugtoqidain Orogen in Greenland;

KolaKarelia, Svecofennian, Volhyn-

Central Russian, and Pachelma Orogens in

Baltica (Eastern Europe); Akitkan Orogen

in Siberia; Khondalite Belt and Trans-

North China Orogen in North China

Che porta alla formazione nel Paleo-Mesoproterozoico

del supercontinente "Columbia" o "Nuna [49,50]

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In questa era si forma il supercontinente Rodinia [51],

con la formazione della catena montuosa legata al

Greenville Orogeny, di cui ancora oggi abbiamo

molte evidenze (Scozia e NW America)

Da questera lo sviluppo di placche continentali e

della tettonica a placche certa [52], e alla sua

fine le placche continentali erano quelle che

conosciamo ai giorni nostri [53]

La vita su di un pianeta

Proterozoico:

Dal Mesoproterozoico iniziamo ad avere

parecchie tracce ancora intatte (rocce)

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La posizione di questi

continenti stata invocata

come una possibile causa del

principale evento geologico

che si ripetuto in questo

periodo: le glaciazioni [54].

SnowBall Earth in

Cryogenian [55].

La vita su di un pianeta

Proterozoico:

Rodinia si trova a cavallo dellequatore, e a circa 1.0 *109 inizia un

intensa attivit.

Fratture (rift) si aprono e iniziano a spezzare il continente in diverse

lande.

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Evidenze

paleontologiche legate

alla rotazione terrestre

suggeriscono che

1.8*109 un anno era di

circa 450 giorni, con

giorni che dovevano

essere di 20 ore [56].

La vita della Terra

Proterozoico:

Dallinizio di questera si hanno

evidenze della presenza dei primi

eucarioti (crown eukariotes)

evoluti dai procarioti [57].

A circa 1*109 lultimo precursore

comune si divide tra ciliati e

flagellati

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Un altro importante aspetto

laccumulo dellossigeno [58].

La vita della Terra

Proterozoico:

Non appena S e Fe furono ossidati, lossigeno inizi ad arricchirsi in

atmosfera.

A circa 1.9*109 cess la

formazione delle BIF

Red beds sono uno dei marker

che ci indicano lincremento

sensibile dellossigeno [59].

2FeOOH (goethite) Fe2O3 (hematite) +H2O; Fe2SiO4 (fayalite) + O2 Fe2O3 (hematite) + SiO2 (quartz); 3O2 + 4FeS2 Fe2O3 (hematite) + 8S ; O2 + 4FeCO3 2Fe2O3 (hematite) + 4CO2

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Fanerozoico:

La vita della Terra

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La vita della Terra

Fanerozoico:

540*106

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La vita della Terra

Fanerozoico:

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Link youtube:

La vita su di un pianeta

http://www.youtube.com/watch?v=KCzXOxeY-60&feature=player_detailpage

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