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La estructura del planeta Tierra
OBJETIVOS 1. Conocer la estructura y composición del interior terrestre; sus capas y discontinuidades. 2. Definir los procesos de magnetismo terrestre, atracción gravitatoria y sus anomalías. 3. Conocer la estructura y composición de la litosfera y de la astenosfera. 4. Describir los procesos que originaron la energía térmica de la Tierra.
5. Analizar las corrientes de convección del interior terrestre como consecuencia del gradiente geotérmico. 6. Describir la atmósfera, su origen, evolución y la composición actual. 7. Identificar la estructura de la atmósfera. 8. Definir la hidrosfera, sus efectos sobre el clima y las consecuencias de las corrientes oceánicas. 9. Conocer la interacción de la biosfera con los demás sistemas del planeta.
CONTENIDOS CONCEPTOS
PROCEDIMIENTOS, DESTREZAS Y HABILIDADES
• La corteza y el manto de la Tierra. • Interpretación de sismogramas, (Objetivo 1) localización del foco sísmico. • El núcleo terrestre. (Objetivo 1) • Análisis e interpretación de esquemas y dibujos. • Las anomalías magnéticas y gravimétricas. (Objetivo 2) • Simulación de la discontinuidad de Repetti en el laboratorio. • La litosfera y el discutido paradigma (Objetivo 1) de la astenosfera. (Objetivo 3) • La máquina térmica del interior terrestre. (Objetivos 4 y 5) • Los sistemas fluidos. La atmósfera y la hidrosfera. (Objetivos 6 , 7 y 8) • La parte viva del planeta. La biosfera. (Objetivo 9)
ACTITUDES • Valorar la importancia de los modelos y teorías como instrumentos para interpretar los mecanismos que rigen el medio natural. • Reconocer la importancia de los métodos indirectos en el estudio de fenómenos que son inaccesibles a las técnicas de observación habituales.
Preguntas prueba 1
Preguntas prueba 2
Diferenciar la estructura y composición de las capas del interior terrestre y sus discontinuidades. (Objetivo 1)
1, 2
1, 2
Conocer el origen del campo magnético terrestre, las anomalías magnéticas y gravimétricas. (Objetivo 2)
3, 4
3, 4
Identificar las funciones de la litosfera y de la astenosfera. (Objetivo 3)
5
5
Entender los procesos responsables de la energía térmica del interior terrestre. (Objetivo 4)
6
6
Conocer la composición y función de la atmósfera. (Objetivo 6 y 7)
7
7
Reconocer la importancia de la hidrosfera en el clima de la Tierra y los efectos de las corrientes oceánicas. (Objetivo 6)
8, 9
8, 9
Identificar la influencia de la biosfera con los demás sistemas del planeta. (Objetivo 9)
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CRITERIOS DE EVALUACIÓN
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RESUMEN
El estudio del interior terrestre Los métodos indirectos de estudio nos permiten conocer el interior de la Tierra. Gracias a los terremotos de gran magnitud, producen ondas sísmicas que recorren todo el planeta y se reflejan varias veces en las principales discontinuidades. El método sísmico permite detectar discontinuidades sísmicas, que son las superficies de separación entre materiales de distinta composición o de diferente estado.
Las discontinuidades sísmicas El método sísmico como herramienta para conocer la estructura interna de la Tierra, se desarrolló en la primera mitad del siglo XX. La estructura de la Tierra quedó así establecida definitivamente con sus cinco capas concéntricas: • Andrija Mohorovicic fue el primero que propuso que la Tierra estaba formada por capas concéntricas, e identificó la discontinuidad que separa la corteza del manto. • Beno Gutenberg fijo la profundidad del manto en 2 900 km de profundidad, pronosticó que el centro del planeta estaba ocupado por un núcleo mucho más denso que el manto, cuya composición era metálica y de naturaleza líquida. • Ilse Lehman dedujo que en el interior del núcleo líquido había un núcleo sólido cuya superficie se encontraba a 5 150 km de profundidad. • William Repetti localizó una discontinuidad dentro del manto. Localizada a 670 km de profundidad permitió separar el manto en dos partes: el manto superior y el manto inferior.
Capa
Discontinuidad que la delimita en su base
Espesor
Porcentaje que contiene de la masa de la Tierra
Densidad media (kg/m3)
Materiales principales en su composición
Corteza
Mohorovicic (10,70 km)
10-70 km
0,3 %
2 300-2 700
Granito
Superior
Repetti (670 km)
600 km
15,2 %
3 400-4 000
Inferior
Gutenberg (2 900 km)
2 230 km
52 %
4 400-6 000
Externo
Lehman (5 150)
2 250 km
20,8 %
9 800-12 000
Interno
–
Es una esfera de 1 220 km de radio
1,7 %
12 000-12 500
Manto
Peridotitas
Núcleo
80 % de hierro; 20 % de níquel y otros metales
La corteza de la Tierra El granito tiene una densidad entre 2 600 y 2 700 kg/m3, mientras que la densidad del basalto está entre 2 700 y 3 200 kg/m3. La gran diferencia de densidad entre la corteza granítica y el manto impide que puedan mezclarse. Se diferencian dos tipos de corteza: • La corteza del fondo de los océanos contiene principalmente basalto, encima se encuentra una capa de sedimentos cuyo espesor disminuye conforme nos alejamos de la costa. Las rocas del fondo oceánico no superan los de 200 millones de años.
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• La corteza de los continentes está constituida principalmente por granito (85 % de su masa), también tiene rocas metamórficas, volcánicas y sedimentarias, que alcanzan grandes espesores. Estas rocas son las más antiguas de la corteza, están datadas con 4 000 millones de años de antigüedad.
El manto La composición del manto es más homogénea que la de la corteza. Su principal componente son las peridotitas, un grupo de rocas cuyos principales minerales son los olivinos y los piroxenos. En la discontinuidad de Gutenberg entran en contacto el manto rocoso y el núcleo de hierro líquido. La temperatura se encuentra cerca de los 3 000 °C. En esta zona los estudios sísmicos delatan la presencia de una capa de entre 100 y 400 km de grosor que forma la transición entre el manto y el núcleo: es la capa D”, puede estar formada por la decantación de los restos más densos del manto, que flotan sobre el núcleo externo.
El núcleo terrestre El núcleo terrestre está compuesto por al menos un 80 % de hierro y más de un 10 % de níquel. El resto de su masa, menos del 10 %, está formado probablemente por oxígeno, carbono y azufre, tres elementos no metálicos que se combinan fácilmente con el hierro. El núcleo externo líquido se encuentra a más de 3 000 °C y a una presión de varios millones de atmósferas, su base se encuentra unos 1 000 °C más caliente que su parte superior; esta gran diferencia de temperatura, unida a su fluidez, produce violentas corrientes de convección. Los átomos de hierro están en parte ionizados, por lo que las cargas positivas y negativas son arrastradas por separado, siguiendo trayectorias circulares que engendran el campo magnético que percibimos en la superficie. La rotación terrestre orienta estas corrientes de convección, por lo que los polos magnéticos están muy cerca de los polos geográficos. El paleomagnetismo o magnetismo remanente de las rocas antiguas permite ver que el campo magnético terrestre ha pasado por épocas en que se ha debilitado notablemente hasta casi desaparecer, y a continuación ha invertido su polaridad, este acontecimiento ha ocurrido más de veinte veces en los últimos cinco millones de años.
Las anomalías magnéticas y gravimétricas En el campo magnético terrestre y en el campo gravitatorio pueden presentarse anomalías. El campo magnético terrestre presenta variaciones o anomalías que ponen de manifiesto la presencia de materiales metálicos o acuíferos. Los magnetómetros son los instrumentos que permiten medir la dirección, la inclinación y la intensidad del campo magnético. La materia, por el simple hecho de poseer masa, forma un campo gravitatorio que produce un efecto de atracción sobre el resto de la materia situada en sus proximidades. Cuando en una zona el valor de g es algo mayor que lo calculado teniendo en cuenta el radio terrestre en ese punto y otros factores, se considera que en ese lugar hay una anomalía gravimétrica positiva, mientras que si el valor de g es menor, se trata de una anomalía gravimétrica negativa.
La litosfera y la astenosfera La litosfera es una capa rígida, que esta formada por la parte más superficial del manto superior y corteza. Se encuentra fracturada en placas litosféricas, que son bloques de diversos tamaños y que según el tipo de corteza son: placas litosféricas oceánicas, formadas por corteza oceánica basáltica con un grosor de entre 30 y 50 km, y placas litosféricas continentales compuestas por corteza continental granítica y una porción de manto peridotítico, alcanzando grosores de entre 70 y 150 km.
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Don Anderson delimitó la astenosfera entre los 60 y los 250 km. La definió como una capa muy heterogénea, que se observaba solo en algunas zonas del globo terrestre. La astenosfera es la zona donde confluyen las violentas corrientes de convección ascendentes y descendentes del manto que arrastran y empujan la litosfera desde su base.
La máquina térmica del interior terrestre Casi la totalidad de la energía térmica que posee la Tierra en su interior es por calor residual producido durante su formación. Este calor se debe principalmente a tres procesos: el intenso bombardeo meteorítico durante la fase de acreción del planeta; la diferenciación gravitatoria por densidades, con la consiguiente formación del núcleo que va transformando la energía potencial gravitatoria en energía térmica; y la desintegración de elementos radiactivos, que producen el calentamiento de los materiales bombardeados por las partículas subatómicas generadas, transformando la energía nuclear en energía térmica. La pérdida del calor interno de la Tierra fue y sigue siendo el vulcanismo. Las rocas fundidas son vertidas al exterior y se enfrían rápidamente. El gradiente geotérmico es el incremento de temperatura cuando se profundiza desde la corteza hacia el interior de la Tierra. El núcleo interno produce grandes cantidades de calor, la convección del núcleo externo traslada hasta la base del manto ese calor, y de nuevo la convección del manto evacua eficazmente hacia la superficie ese calor.
Los sistemas fluidos. La atmósfera La atmósfera es la envoltura gaseosa de un planeta. La abundancia de oxígeno en la atmósfera produce una distribución muy peculiar de las temperaturas. Entre los 20 y los 50 km de altitud, las moléculas de oxígeno (O2) absorben eficazmente la radiación ultravioleta procedente del Sol, que las rompe liberando dos átomos de oxígeno. Estos átomos se enlazan rápidamente con otra molécula de oxígeno formando una molécula de ozono (O3), que también absorbe luz ultravioleta. La absorción de energía hace que la ozonosfera tenga una temperatura relativamente alta.
Atmósfera y condiciones en una Tierra sin vida
Situación de la Tierra actual
Dióxido de carbono
98 %
0,03 %
Nitrógeno
1,9 %
78 %
Se produce en la descomposición de la materia orgánica.
Oxígeno
casi inapreciable
21 %
Se produce en la fotosíntesis.
Argón
0,9 %
0,9 %
–
Ácido sulfúrico
2-6 %
casi inapreciable
Temperatura en la superficie
240-340 °C
15 °C
Explicación de la diferencia Se utiliza en la fotosíntesis.
Precipita en la lluvia. Al no haber mucho CO2 en la atmósfera, el efecto invernadero es muy suave.
La convección de la troposfera da lugar al ciclo del agua y hace funcionar los agentes geológicos. En la estratosfera la temperatura aumenta con la altitud, lo que determina que en ella no haya convección. Además de los movimientos convectivos que hacen ascender el aire caliente hacia la parte alta de la troposfera, hay también un movimiento convectivo a gran escala que tiende a llevar el aire frío de los polos hacia el ecuador, y el aire caliente de las zonas tropicales hacia los polos.
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RESUMEN
En cada hemisferio se forman tres masas de aire bastante independientes entre sí: el aire polar, situado sobre los polos y que llega hasta los 60 grados de latitud norte y sur, el aire templado, que forma un cinturón entre los 60 y los 30 grados de latitud, y el aire tropical, que forma otro cinturón entre los 30 grados de latitud y el ecuador. Las zonas donde estos cinturones se tocan entre sí reciben el nombre de zonas de convergencia, y es precisamente la interacción entre las diferentes masas de aire en estas zonas de convergencia la que da lugar a las zonas climáticas.
Los sistemas fluidos. La hidrosfera Sobre la corteza sólida se fue acumulando el agua procedente de la condensación del vapor expulsado por los volcanes. Desde entonces aquella hidrosfera primitiva ha ido aumentando el volumen a medida que la actividad volcánica seguía aportando vapor de agua a la superficie terrestre. El ciclo del agua puede explicarse como una máquina que funciona con energía solar, produce un trabajo de erosión, movilización de los materiales rocosos y modelado del relieve. El transporte lleva las sales solubles hacia los océanos, permitiendo allí su acumulación. La salinidad de los océanos procede del lavado de los continentes. En las regiones polares el agua se encuentra en estado sólido dentro de los glaciares; en las regiones templadas y ecuatoriales debido a la pluviosidad alta hay grandes ríos y lagos; en las zonas tropicales desérticas se produce una ausencia casi total de agua. Las masas de agua se estratifican con la profundidad, separándose en dos partes, una profunda fría y otra superficial más cálida. La diferencia de temperatura hace difícil que se produzca mezcla vertical. La interfase entre ambas recibe el nombre de termoclina. El intercambio de calor entre el agua y el aire determina que las corrientes oceánicas transporten grandes cantidades de calor desde las zonas ecuatoriales hacia los polos, y esto amortigua las diferencias térmicas existentes entre las regiones más calientes y las más frías del planeta. Las corrientes oceánicas se forman por la diferencia de insolación y la evaporación en las zonas tropicales, que incrementa la densidad del agua al aumentar la salinidad y hace que tienda a hundirse, pero la tendencia a la flotabilidad producida por la alta temperatura predomina, y el agua forma una corriente cálida por el Atlántico, llamada corriente del Golfo. El agua cuando cede su temperatura a la atmósfera provoca una corriente descendente que llega al fondo del océano Atlántico y lo recorre hacia el sur. Se forma así un río submarino que discurre por los fondos oceánicos de todo el mundo y que recibe el nombre de corriente termohalina, haciendo referencia a que son la temperatura y la salinidad las causantes de su formación.
La parte viva del planeta. La biosfera La biosfera es el conjunto de todos los seres vivos de la Tierra, desde las bacterias hasta los vegetales y animales. Mantiene un intenso intercambio de materia y energía con los demás sistemas del planeta: la hidrosfera, la atmósfera y la geosfera, e influye de forma decisiva en su composición y en su dinámica. En la década de 1960, James Lovelock analiza el papel de la biosfera y su relación con los demás sistemas del planeta. Su teoría de Gaia trata de transmitir la idea de que la vida no era solo una propiedad de los seres vivos, sino una propiedad del planeta Tierra. A diferencia de los demás sistemas, la biosfera está sometida al proceso de evolución, que da lugar a una diversidad creciente de seres vivos y a su expansión por la superficie terrestre colonizando todos los ambientes. De forma periódica, esta diversidad se ha visto drásticamente reducida debido a diferentes procesos, como periodos de desertización, glaciaciones que han cubierto de hielo grandes extensiones de los continentes y de los océanos, periodos de anoxia oceánica, en los que la hidrosfera ha permanecido con muy poco oxígeno disuelto, impactos de meteoritos, o directamente la aparición del ser humano y su actividad industrial y agrícola.
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FICHA 1
RECURSOS PARA EL AULA
LOS GASES VOLCÁNICOS: LA ATMÓSFERA Y LA HIDROSFERA
Aunque la fracción gaseosa de la mayor parte de los magmas constituye tan solo del 1 al 6 % de su peso total, la cantidad de gases emitidos en una erupción puede llegar a superar varios miles de toneladas al día. La proporción de los gases volcánicos puede variar en los distintos tipos de vulcanismo, pero los valores medios de los análisis de las emisiones suelen indicar la presencia de un 70 % de vapor de agua, un 15 % de dióxido de carbono, un 5 % de nitrógeno, un 5 % de dióxido de azufre, y menores cantidades de cloro, hidrógeno, argón, monóxido de carbono, etc. A partir de estos datos resulta fácil imaginar que los gases aportados por las erupciones contribuyen significativamente a configurar las características químicas del aire de nuestra atmósfera. Pero... ¿la atmósfera terrestre es el resultado de la simple acumulación de los gases volcánicos? La composición y proporciones de los gases del aire en nuestra atmósfera actual ya nos ponen de manifiesto la escasa coincidencia con los gases volcánicos. El gas mayoritario del aire es el nitrógeno (78 % en volumen), le sigue el oxígeno molecular (21 %) y, ya con porcentajes menores, el vapor de agua (1 %), el argón (0,9 %) y el dióxido de carbono (0,03 %), entre otros que, aunque con porcentajes muy bajos, resultan enormemente influyentes en determinados procesos (hidrógeno molecular, metano, dióxido de nitrógeno, monóxido de carbono, ozono [O3]), etc. Aunque hasta hace algunos años se atribuía el origen de nuestra atmósfera a la desgasificación magmática, las investigaciones actuales apuestan decididamente por una génesis ligada al mismo proceso de acreción de materia por el cual se formó la Tierra. Según este modelo, los choques tardíos de planetesimales o asteroides ricos en sustancias volátiles habrían aportado los ingredientes ga-
seosos de la atmósfera primitiva. La radiación solar, la temperatura exterior del planeta y los intercambios con los fundidos rocosos primitivos regularían su evolución inicial. Según esta hipótesis, el vapor de agua se habría condensado para formar la hidrosfera una vez que la temperatura hubiese descendido suficientemente; los gases más ligeros habrían escapado hacia el espacio exterior, y la escasa capacidad de reacción del nitrógeno habría favorecido su acumulación. La Tierra ocupa y ocupó en las etapas finales de formación del Sistema Solar un lugar privilegiado. Una posición demasiado próxima al Sol le hubiese hecho sufrir las consecuencias de la intensa radiación ultravioleta que disocia las moléculas de vapor de agua para producir hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno, muy ligero, se pierde progresivamente hacia el espacio. El oxígeno, muy reactivo, se incorpora a otros ciclos. Aunque estas pérdidas netas de agua debieron tener lugar durante cierto tiempo, posiblemente fueron compensadas por la evaporación de agua procedente de las rocas superficiales del planeta. Parece ser que el agua, el nitrógeno y el carbono debieron existir ya desde la culminación del proceso de acreción con una masa total, comparable a la presente, situada entre la atmósfera y la hidrosfera. Así pues, ¿qué papel tuvieron los volcanes en este asunto? ¿De dónde surgió el oxígeno? La composición del aire de la atmósfera primitiva debió ser modificada por la emisión de gases volcánicos. Su evolución posterior debe interpretarse en el marco de un complejo sistema de interrelaciones en las que la temperatura del planeta, la presencia de agua, la desgasificación volcánica y el ciclo del dióxido de carbono son tan solo algunos de los factores influyentes. En este proceso, la aparición de la vida (y la fotosíntesis), la presencia de agua y el sostenimiento de la actividad volcánica han sido fundamentales.
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FICHA 2
MAGNETISMO Y LA ORIENTACIÓN DE LAS PARTÍCULAS DE HIERRO
Uno de los fenómenos que más han contribuido al estudio de las variaciones del campo magnético terrestre y al desarrollo de la tectónica de placas es la magnetización remanente de las rocas. Este fenómeno se debe a la propiedad de algunas rocas que contienen partículas de hierro (Fe) de adquirir una magnetización producida por la presencia de un campo externo, que permanece estable aunque desaparezca o cambie dicho campo. Esta
a
RECURSOS PARA EL AULA
magnetización permanecerá estable siempre que la roca no sufra un incremento de temperatura que supere el punto de Curie, en cuyo caso, como hemos visto en el apartado anterior, pierde sus propiedades magnéticas. En general, la magnetización de las rocas se produce durante su formación, de forma que en la roca queda registrada la dirección y polaridad del campo magnético terrestre que existía en el momento de su formación.
b Campo magnético externo
Orientación de las partículas de hierro imantadas. Algunas rocas que contienen partículas de hierro (Fe) tienen la propiedad de imantarse y orientarse en dirección paralela al campo magnético terrestre cuando la temperatura es inferior al punto de Curie. a) Por encima del punto de Curie, el calor agita los átomos de forma que estos se orientan de forma aleatoria. b) Por debajo del punto de Curie y en presencia de un campo magnético externo, los átomos se imantan y orientan en dirección paralela a dicho campo.
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FICHA 3
RECURSOS PARA EL AULA
INVERSIÓN DE LA POLARIDAD DEL CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE
Las inversiones quedan perfectamente registradas en las coladas de lavas y en los sedimentos marinos. En la siguiente figura cada capa representa distintos periodos geológicos cuya edad puede establecerse por medios radiométricos. Este dato, junto con la medición de la dirección del magnetismo remanente, permite establecer la secuencia temporal de cambios de la polaridad del campo geomagnético, es decir, se puede deducir la estratigrafía magnética o magnetoestratigrafía.
Campo magnético actual
Registro de la inversión de polaridad. La colada más reciente (parte superior) muestra la polaridad del campo magnético actual. Las coladas más antiguas (tonos grises) registran la polaridad del campo existente cuando la lava solidificó.
2
Jaramillo
Olduvai 2,0
3
2 Matuyama (Inversa)
Réunion
Kaena Mammouth
3,0
3 Gauss (Normal)
5 Edad (millones de años)
1,0
Nunivak
4 Gilbert (Inversa)
4 5 6 7 8
10
9 10 11 12 13 14
Cochiti 4,0
1
PLEISTOCENO
CRON / ÉPOCA 0
1 Brunhes (Normal)
0,5
Edad (millones de años)
CRON
PLIOCENO
SUBCRON
15
MIOCENO
14
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15
16
Normal Inversa
20
17 18 19
Épocas de polaridad normal e inversa del campo magnético terrestre durante los últimos 22 millones de años.
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FICHA 4
RECURSOS PARA EL AULA
LAS CAPAS DE LA TIERRA
Corteza continental (25-70 km)
Corteza oceánica (6-12 km)
6 371 km
Discontinuidad de Mohorovicic
Litosfera
a Zon
ional transic
Astenosfera
Manto superior 670 km
Mesosfera
Manto inferior l D" Nive
Discontinuidad de Wiechert-Gutenberg 2 900 Núcleo externo
Núcleo externo
Discontinuidad de Lehmann
4 980
Endosfera
5 120 Núcleo interno
Núcleo interno
COMPOSICIÓN QUÍMICA
COMPORTAMIENTO MECÁNICO
Las capas del planeta. A la izquierda, definidas por la composición química de los materiales. A la derecha, por su comportamiento mecánico.
ESTRUCTURA INTERNA DE LA TIERRA Estructura basada en la composición química
Profundidad media (km)
Velocidad ondas P (km/s)
Densidad media (kg/m3)
oceánica
7
2 850
continental
35
2 750
Presión (104 MPa)*
Estructura basada en el comportamiento mecánico de las rocas
CORTEZA
LITOSFERA
Discontinuidad de Mohorovicic
8,0 - 8,1 65-120
MANTO SUPERIOR
250-350
Zona de baja velocidad
3 330
0,09 Litosfera oceánica = 65 km Litosfera continental = 120 km
7,8
ASTENOSFERA
8,1
400
8,9 9,13
3 540 3 720
1,40 2,70
670
10,27 10,75
3 990 4 380
3,82
2 885
13,71 8,06
5 570 9 900
13,68
5 144
10,36 11,3
12 200 12 800
33,00
13 100
36,00
MESOSFERA
MANTO INFERIOR Discontinuidad de Gutenberg
NÚCLEO EXTERNO
NÚCLEO EXTERNO NÚCLEO INTERNO 6 371
NÚCLEO INTERNO
*: 1 bar 0,987 atmósferas 105 Pa 0,1 MPa.
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FICHA 5
RECURSOS PARA EL AULA
MEDIR LO INALCANZABLE. EL YUNQUE DE DIAMANTE
El yunque de diamante es un dispositivo capaz de reproducir en su interior la temperatura y presión que hay en las profundidades de la Tierra. La muestra que se va a estudiar se comprime en el interior de una arandela entre las puntas de dos diamantes. Así, se alcanzan presiones superiores a 3,5 megabar (3,5 106 veces la presión atmosférica). Además, se calienta mediante el enfoque de un rayo láser de potencia variable que, al ser absorbido por la muestra, hace subir su temperatura entre 25 y 5 000 °C. Dicha radiación es
capaz de atravesar el diamante sin ser absorbida y, por tanto, el yunque ni se calienta ni se deforma. En el yunque se introducen las muestras con las composiciones químicas que se cree que existen en las diferentes capas de la Tierra, se las somete a las condiciones de presión y temperatura reinantes a distintas profundidades y se observa cómo se forman en su interior fases minerales estables en esas condiciones tan extremas. Así se conocen los cambios de fase de los diferentes niveles del manto, de la capa D” e incluso del núcleo terrestre.
Acceso óptico
Yunques de diamantes
La célula de yunque de diamante reproduce en el laboratorio las condiciones de presión y temperatura del interior del planeta.
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FICHA 6
RECURSOS PARA EL AULA
LA TEMPERATURA DEL INTERIOR DE LA TIERRA
El incremento de la temperatura con la profundidad ha podido evaluarse directamente en explotaciones mineras, túneles, sondeos y perforaciones con fines científicos. No obstante, los datos recogidos tan solo aportan información de los 10 primeros kilómetros. Los valores alcanzados en profundidad han permitido establecer que la temperatura aumenta con la profundidad a razón de 1 °C cada 33 m de descenso, aproximadamente. Esta relación de proporcionalidad recibe el nombre de gradiente geotérmico y parece mantener esta tendencia a lo largo de las primeras decenas de kilómetros. Sin embargo, el flujo de calor interno que alcanza la superficie terrestre no es homogéneo y esto determina que en algunas zonas de la Tierra el gradiente geotérmico sea más elevado que en otras. Por debajo de los primeros 100 km se ha interpretado que el gradiente geotérmico disminuye en profundidad influenciado por el incremento de presión y por los cambios composicionales de las rocas. Actualmente se piensa que al llegar a la discontinuidad de Wiechert-Gutenberg se alcanza una temperatura de unos 3 700 °C y que en el centro del planeta podrían darse unas temperaturas de unos 4 500 °C. Los recientes estudios de tomografía sísmica han puesto al descubierto, por ejemplo, marcadas irregularidades en la temperatura del manto. La tomografía sísmica consiste en una técnica de análisis de la temperatura de zonas profundas de la geosfera, basada en el procesamiento informático de las pequeñas diferencias en las velocidades de propagación de las ondas sísmicas.
Temperatura (°C) 1000
2000
3000
4000
1000
2000
Manto
3000
4000
Núcleo externo
5000
Núcleo interno 6000
Geoterma Punto de fusión de las rocas Estimación de la temperatura en el interior terrestre. La variación de temperatura puede estimarse a partir de datos experimentales (en las zonas superficiales) y de extrapolación de datos sísmicos y de laboratorio (para las zonas profundas).
Actividades
466
5000
1
¿Qué temperatura tendría el centro la Tierra si se mantuviera el gradiente geotérmico de la corteza?
2
¿Cuál es la causa de su descenso? 쮿 BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 1.° BACHILLERATO 쮿 MATERIAL FOTOCOPIABLE © SANTILLANA EDUCACIÓN, S. L. 쮿
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ESQUEMA MUDO 1
CAPAS Y DISCONTINUIDADES
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ESQUEMA MUDO 2
CORTEZA Y MANTO TERRESTRE
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RECURSOS PARA EL AULA
ESQUEMA MUDO 3
ESTRUCTURA VERTICAL DE LA ATMÓSFERA
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SUGERENCIAS
EN LA RED
LIBROS
INSTITUTO NACIONAL DE TÉCNICAS AEROSPACIALES
Procesos geológicos internos FRANCISCO ANGUITA y FERNANDO MORENO. Ed. Rueda Con este libro, que es un clásico de la geología, sus autores transmiten sus conocimientos sobre los acontecimientos que suceden en el interior de la Tierra.
www.inta.es/ El Instituto Nacional de Técnicas Aeroespaciales es un organismo que investiga el desarrollo tecnológico aeroespacial.
INSTITUTO ANDALUZ DE GEOFÍSICA www.ugr.es/~iag/ins.html El Instituto Andaluz de Geofísica y Prevención de Desastres Sísmicos desarrolla todos los campos de la sismología, desde el instrumental hasta los programas de prevención sísmica y riesgo sísmico.
MINISTERIO DE FOMENTO www.fomento.es/MFOM/LANG_CASTELLANO/ DIRECCIONES_GENERALES/INSTITUTO_GEOGRAFICO/ Geofisica/ Web del Ministerio de Fomento en la que muestra los diferentes métodos de estudio que tiene el Estado en este campo de la geofísica.
INSTITUTO ESPAÑOL DE OCEANOGRAFÍA www.ieo.es/inicial.htm El Instituto Español de Oceanografía presenta sus estudios del mar y los océanos. Sus líneas de investigación se centran con especial atención en el aprovechamiento sostenible de los recursos marinos.
CENTRO SISMOLÓGICO EURO-MEDITERRÁNEO www.emsc-csem.org/index.php?page=home Web en inglés del Centro Sismológico Euro-Mediterráneo, tiene toda la información sísmica de esta zona, además de enlaces con otros centros importantes.
Introducción a la geología práctica DAVID GÓMEZ ORTIZ. Ed. Universitaria Ramón Areces Un libro que resume los conocimientos mínimos a nivel geológico para desarrollar trabajos de investigación sobre el terreno, muy bueno para ver métodos de estudio y análisis de datos. Riesgos naturales JORGE OLCINA SANTOS y FRANCISCO JAVIER AYALA CAICEDO. Ed. Ariel El libro analiza desde un punto de vista multidisciplinar la peligrosidad de la naturaleza, ofrece un análisis detallado pero accesible para los docentes. Historias curiosas de la ciencia: todo aquello que usted quería saber sobre la ciencia y nunca se atrevió a preguntar CYRIL AYDON. Ed. Ma Non Troppo El autor nos explica por medio de pequeños artículos lo que deberíamos saber sobre el mundo, el universo y otros acontecimientos. Fundamentos de geofísica JULIO MEZCUA RODRÍGUEZ y AGUSTÍN UDIAS VALLINA. Alianza Editorial El libro está organizado en tres grandes bloques: gravimetría, sismología y geomagnetismo, aunque se han añadido otros, como: la inducción eléctrica, la geotermia, la radiactividad y el magnetismo externo. Es una obra de consulta para aclarar las ideas.
DVD/PELÍCULAS Planeta feroz, clima extremo. Discovery Channel En este documental se muestran las imágenes más impactantes de los fenómenos atmosféricos. Contacto (Contact) Dirigida por Robert Zemeckis, la película relata las luchas que se desencadenan entre los científicos que investigan el universo ante un acontecimiento singular.
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EVALUACIÓN
PRUEBA DE EVALUACIÓN 1
1
En relación con las capas de la Tierra, completa el siguiente dibujo con los nombres de las mismas y la composición principal de cada una de ellas.
2
¿Dónde se sitúa la capa D’’ y qué movimientos presenta?
3
Explica brevemente cuál es el origen del campo magnético terrestre.
4
¿Qué es una anomalía gravimétrica negativa? ¿A qué puede deberse?
5
Indica qué consideraciones se realizaban sobre la astenosfera por parte de los científicos durante las décadas de 1970 y 1980.
6
¿Cuál es la aportación de los elementos radiactivos a la energía térmica que posee?
7
a) ¿Cuál es la principal diferencia entre la estratosfera y la troposfera en cuanto a las corrientes de convección? b) ¿Cómo se distribuyen las masas de aire en los hemisferios de la Tierra?
8
¿Qué ocurre cuando una corriente oceánica cálida encuentra una masa de aire frío y seco? Cita un ejemplo que conozcas de este caso.
9
a) ¿Cómo relacionarías la actividad volcánica con la hidrosfera? b) ¿Qué es una termoclina?
10 La biosfera mantiene un intenso intercambio de materia y energía con los demás sistemas del planeta:
hidrosfera, atmósfera y geosfera. Indica al menos un proceso o actividad que tenga lugar en la biosfera y afecte a: a) La atmósfera. b) La geosfera. c) La hidrosfera.
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EVALUACIÓN
PRUEBA DE EVALUACIÓN 2
1
En relación con las discontinuidades del interior terrestre, completa el siguiente dibujo con los nombres de las mismas y la localización exacta entre las capas.
2
Explica cómo se formó el núcleo metálico de la Tierra, constituido fundamentalmente por hierro, y el manto rocoso formado por peridotita.
3
¿A qué se debe la diferencia en la intensidad del campo gravitatorio que se aprecia entre la corteza oceánica y la corteza continental?
4
Explica brevemente qué es una anomalía magnética e indica una de las causas que pueden provocar dicha anomalía.
5
¿Por qué actualmente se considera que la astenosfera ha perdido su importancia como nivel de despegue de la litosfera?
6
¿Cuál es la aportación de la diferenciación gravitatoria por densidades a la energía térmica que posee la Tierra?
7
Explica cuáles fueron los procesos que originaron la atmósfera actual y cuándo ocurrió.
8
¿Qué ocurre cuando una corriente oceánica fría encuentra una masa de aire caliente y húmedo? Cita un ejemplo que conozcas de este caso.
9
Explica a qué denominamos corriente termohalina y cuáles son las causantes de su formación.
10 La biosfera mantiene un intenso intercambio de materia y energía con los demás sistemas del planeta:
hidrosfera, atmósfera y geosfera. Indica al menos un proceso o actividad que tenga lugar en la biosfera y afecte a: a) La atmósfera. b) La geosfera. c) La hidrosfera.
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ATENCIÓN A LA DIVERSIDAD
AMPLIACIÓN
1
¿Cómo explicarías que la edad de las rocas continentales más antiguas sea de unos 4 000 millones de años y sin embargo no se hayan encontrado rocas en el fondo oceánico con edad superior a los 185 millones de años?
2
El paleomagnetismo es la disciplina que se encarga del estudio del campo magnético de la Tierra en el pasado, ¿cómo es posible realizar este estudio?, ¿podría realizarse un estudio del campo gravitatorio en el pasado?
3
Sabiendo que la densidad media de todo el planeta es de 5,52 g/cm3, indica cómo se puede deducir que la densidad del manto terrestre es superior que la de los materiales de la corteza.
4
En los trabajos científicos actuales no existen prácticamente menciones a la astenosfera, sino radiografías del manto en las que aparecen superpenachos y avalanchas o cascadas subductivas. Busca información e indica a qué se refieren estos términos.
5
Relaciona el calentamiento de la Tierra durante su formación con la estructura en capas que posee.
6
La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a la Tierra y se extiende hasta unos 10 000 km de altitud. ¿Cuáles son las capas que se diferencian en la atmósfera? Indica la característica principal de cada una de las capas.
7
¿Por qué se dice que el ozono es un contaminante de primer orden en la troposfera? ¿Cuáles son sus principales efectos en la troposfera?
8
Explica qué representan los siguientes dibujos con relación a las corrientes oceánicas:
2 2
2
1
9
2
Calor cedido por el aire al agua
1
Calor cedido por el agua al aire
En el océano se denomina termoclina a la zona en la cual la temperatura del agua tiene una rápida disminución en sentido vertical con poco aumento de la profundidad. ¿Cuáles son los factores que determinan la posición de la termoclina?
10 La biosfera es el conjunto de todos los seres vivos de la Tierra, desde las bacterias hasta las plantas y animales.
Señala algunos de los efectos de la biosfera sobre la hidrosfera.
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ATENCIÓN A LA DIVERSIDAD
REFUERZO
Completa la siguiente tabla:
Discontinuidad en la base
Capa
Espesor
Densidad media (kg/m3)
Composición
Corteza Manto Núcleo
Superior Inferior Externo Interno
2
¿Cuáles son las consecuencias de la diferencia de grosor y densidad entre la corteza oceánica y la corteza continental?
3
¿Qué es la capa D”? ¿Qué tipo de materiales la constituyen?
4
Indica cuál es el origen del núcleo metálico de hierro presente en todos los planetas en la actualidad.
5
¿Por qué motivo algunos puntos terrestres presentan anomalías magnéticas? ¿Y anomalías gravimétricas?
6
En relación con el gradiente geotérmico desde la superficie de la Tierra hacia su interior, indica los efectos de los siguientes fenómenos: a) Vulcanismo. b) Convención del manto. c) Convención del núcleo externo. d) Cristalización del hierro fundido del núcleo externo.
7
¿Cuál es el gas más abundante en la atmósfera? ¿De dónde procede este gas?
8
a) ¿Por qué se forman tres masas de aire diferenciadas en cada hemisferio? b) ¿Qué originan las zonas de contacto entre dos masas de aire?
9
¿A qué denominamos corriente termohalina? ¿Por dónde discurre?
10 La biosfera mantiene un intenso intercambio de materia y energía con los demás sistemas del planeta: hidrosfera,
atmósfera y geosfera. Indica cómo afectan los siguientes componentes de la biosfera sobre el sistema correspondiente: a) La actividad fotosintética. b) Los arrecifes de coral. c) La cubierta vegetal.
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ORIENTACIONES PARA UN EXAMEN 1
Observa la siguiente tabla sobre el valor medio de la densidad de los materiales que constituyen las distintas capas terrestres y contesta a las preguntas que se formulan a continuación.
Capas
Densidad media (g/cm3)
Atmósfera
0,0013
Hidrosfera
1
1. Diseña y justifica un modelo en capas que explique la estructura del planeta Tierra, ¿Se puede relacionar con la teoría que explica la formación de la Tierra?
Corteza
2. Señala los métodos empleados para conocer la densidad media de aquellos materiales terrestres sobre los que no se puede acceder directamente.
2,3 - 2,7
Manto superior
3,4 - 4
Manto inferior
4,5 - 6
Núcleo externo
9,8 - 12
Núcleo interno
12 - 12,5
Diseño y justificación de un modelo de la estructura de la Tierra en función de la densidad de los materiales 1. A la luz de los resultados expuestos en la tabla, puedes observar que las capas de la Tierra están dispuestas en un orden creciente de densidad desde la más externa a la más interna. Así pues, la capa concéntrica terrestre más externa es la atmósfera, compuesta por un conjunto de gases que forman una envuelta alrededor de la Tierra atrapados por el campo gravitatorio terrestre. La hidrosfera, aunque no constituye una capa continua se sitúa atendiendo a la densidad del agua entre la atmósfera y la primera de las capas sólidas de la geosfera. La corteza, la más ligera de las capas terrestres sólidas, se dispone sobre el manto y este a su vez rodea a la capa de mayor densidad, el núcleo. El manto y el núcleo se subdividen en capas que siguen diferenciándose en función de la densidad. Se trata ahora de que deduzcas el modelo de la estructura de la Tierrra que se ajuste a dicha información. Este modelo en capas estratificadas atendiendo a un gradiente de densidades solo es posible si en algún momento durante el transcurso de la formación el planeta Tierra, hubiera sido posible la fusión de los materiales iniciales. Según la teoría del origen de nuestro planeta, por condensación de polvo y gas se formaría un protoplaneta más bien frío y homogéneo en un principio, pero la contracción continua y la radiactividad de los elementos más pesados contribuyó al calentamiento y a la fusión de los materiales originales. Esta fusión permitiría la explicación de la disposición actual. Se justificaría así que los materiales más densos migraran hacia el interior del planeta quedando los más ligeros o menos densos en zonas más superficiales. Los elementos más pesados, como el Ni y el Fe, migraron hacia la zona del actual núcleo, y los silicatos permanecieron por encima. La atmósfera y la hidrosfera primitivas se originaron procedentes de las erupciones volcánicas. 2. Aquí se trata de que demuestres tus conocimientos a cerca de los métodos indirectos para el estudio de la Tierra. La densidad, así como otras características de los materiales se deducen a través de este tipo de métodos geológicos. Tendrás que indicar la importancia del método sísmico, que es el que más información ha aportado sobre las características físicas y estructura del interior terrestre.
Practica 1 Observa los datos referidos al manto. ¿Qué explicación
darías a la diferencia de la densidad en los materiales del manto superior respecto de los del manto inferior y, por tanto, a su disposición?, ¿cómo es posible que la misma composición de rocas pueda dar capas con distinta densidad?
Capa
Espesor
Densidad Composición (g/cm3)
superior
600 km
3,4-4
inferior
2 230 km
4,5-6
Manto
Peridotitas
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ORIENTACIONES PARA UN EXAMEN 2
A continuación se presentan los porcentajes en volumen de algunos componentes de la atmósfera en dos momentos muy distintos. En un cuadro se representa la situación actual de la atmósfera y en el otro se reproducen algunas características que debió tener la atmósfera primitiva. Observa los datos y contesta a las preguntas que se formulan. CO2: 98 %
CO2: 0,03 %
O2: inapreciable
O2: 21 %
Temperatura: 240-230 °C
Temperatura: 15 °C
Atmósfera primitiva
Atmósfera actual
1. ¿Qué explicación tiene el cambio de la composición química de la atmósfera primitiva a la atmósfera actual? 2. Compara el valor de la temperatura media en las dos situaciones, ¿a qué es debido ese cambio?
Análisis de las interacciones entre subsistemas de la Tierra Tendrás que argumentar las diferencias que encuentres entre las dos imágenes y proponer un modelo evolutivo en el contexto de los sistemas. Una teoría basada en este aspecto lo constituye la teoría de Gaia formulada por James Lovelock en la década de 1960, que debes conocer y tratar en esta respuesta. Es importante que insistas en que el sistema Tierra está formado por una serie de unidades, consideradas subsistemas, que interaccionan entre sí. Así pues, se pueden distinguir la atmósfera, la hidrosfera, la geosfera y la biosfera como unidades, sistemas a su vez, con una gran relación de interdependencia. La biosfera repercute sobre los subsistemas y estos sobre la biosfera en una dependencia recíproca. Interesa que hagas hincapié en que las consecuencias importantes de esta modificación. 1. En el caso que nos ocupa, la disparidad de los componentes y otras características, como la temperatura entre dos momentos de la historia de la Tierra (al comienzo y actual) del subsistema atmósfera, se debe a la influencia de otro subsistema, la biosfera. La atmósfera no ha tenido siempre la misma composición ni las mismas características pasando de una situación inicial (primitiva) a la actual. La composición de la atmósfera primitiva resulta de la emisión de gases por la actividad volcánica muy abundante durante el periodo de formación del planeta. Ello explica la alta concentración de dióxido de carbono y la casi nula existencia de oxígeno. La vida aparece hace unos 3 800 millones de años pero todavía sin la estrategia metabólica de fotosíntesis. Es probable que los primeros autótrofos fotosintéticos aparecieran hace 3 400 millones de años. Se cree que las primeras cianobacterias tienen entre 2 500 y 2 700 millones de años. Las cianobacterias serán los primeros organismos que liberen al medio oxígeno como consecuencia de la ruptura de la molécula de agua en la fotosíntesis. Aún debían pasar muchos miles de años para que comenzara realmente el aumento espectacular y gradual de oxígeno en la atmósfera y, a su vez, la disminución de dióxido de carbono utilizado por estos organismos fotosintéticos para obtener la materia orgánica mediante un conjunto de reacciones de síntesis. 2. La variación de la temperatura debes correlacionarla con el efecto invernadero. El dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero. A mayor concentración de dióxido de carbono, más es la cantidad de radiación infrarroja que queda atrapada sin poder irradiar al exterior del planeta. Lo que significa que a mayor concentración de gas efecto invernadero, mayor temperatura media. Por tanto, es lógico que a medida que disminuía la concentración de dióxido de carbono, se redujera el valor de la temperatura media.
Practica 1 Las fábricas biológicas productoras de carbonatos se
han desarrollado en numerosas ocasiones a lo largo de la historia de la vida en la Tierra sobre plataformas de mares someros. ¿Qué relación existe entre distintos sistemas de la Tierra en este ejemplo? Justifícalo.
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2 Explica la formación del suelo desde la perspectiva
de la interacción entre los subsistemas que forman la Tierra.
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SOLUCIONARIO tes de convección ascendentes y descendentes mueve la litosfera desde su base.
RECUERDA Y CONTESTA 1. El método sísmico es el que más datos ha aportado sobre la estructura interna de la Tierra. 2. La corteza y el manto están firmemente adheridos, de forma que la parte más superficial del manto superior, junto con la corteza, forman una capa rígida, denominada litosfera. Esta se encuentra fracturada en bloques de diversos tamaños y formas, que son las placas litosféricas y pueden ser: placas litosféricas oceánicas o placas litosféricas continentales. 3. Las dicontinuidades son cambios bruscos en la velocidad de propagación de las ondas sísmicas. Podemos destacar la discontinuidad de Mohorovicic, que separa la corteza del manto, y la discontinuidad de Gutenberg, que separa el manto del núcleo externo. ACTIVIDADES 14.1. Según los datos de la tabla, el espesor de la corteza es de unos 70 km y el del manto, considerando superior e inferior, es de 2 830 km. Por tanto, la distancia entre la base de la corteza y la base del manto es de 2 830 – 70 = 2 760 km. Para calcular el tiempo que tardaría una masa de roca en recorrer esa distancia a una velocidad de 5 cm/año: v = distancia/tiempo 5 cm/año = 2,76 × 108 cm/tiempo , entonces tiempo = = 5,52 × 106 años. 14.2. Durante las décadas de 1970 y 1980 se dio por supuesto que la astenosfera era una capa continua situada bajo la litosfera, que actuaba como lubricante o nivel de despegue y que sin ella, el movimiento de la litosfera sería imposible, debido al rozamiento con el manto subyacente. Sin embargo, los estudios sísmicos, cada vez más detallados, no detectaban la presencia de esta astenosfera en todos los lugares. Posteriormente, gracias a la física de los fluidos, se llegó a la conclusión de que es el manto el que con sus corrien-
Atmósfera
Origen
Primera
En la zona central del Sistema Solar había una gran acumulación de hidrógeno y helio, que acabó comprimiéndose bajo su propio peso y originando el Sol. Alrededor de esta protoestrella giraban los planetas, formados por un núcleo rocoso y una gruesa atmósfera constituida también por hidrógeno y helio.
Segunda
Salida de grandes cantidades de gases de su interior, el viento solar continuó llevándose estos gases de su superficie. Sin embargo, la fusión de la Tierra por el calentamiento del Sol provocó la formación del núcleo metálico, la Tierra adquirió una magnetosfera capaz de desviar las partículas cargadas que componen el viento solar. Una vez a salvo de aquella devastadora lluvia de partículas, los gases volcánicos empezaron a acumularse sobre la superficie terrestre.
Tercera
Por acumulación de oxígeno en la atmósfera, durante 1 000 millones de años.
14.3. La diferencia de temperatura entre el núcleo externo e interno de la Tierra origina las corrientes de convección en el núcleo externo y estas corrientes originan el campo magnético terrestre. Si el campo magnético es muy débil en Marte significa que su núcleo no posee temperaturas tan altas que originen corrientes de convección; además, la ausencia de actividad volcánica también indicaría que no existen rocas fundidas en su interior, por tanto, las temperaturas deben ser mucho menores que en el interior de la Tierra. Un núcleo grande de hierro fundido generaría un fuerte campo magnético; en consecuencia, la mayoría del hierro debió permanecer en las capas externas de Marte, haciendo que la superficie fuera roja a causa de la oxidación. 14.4. La teledetección también se conoce como percepción remota, es la técnica que permite obtener información sobre un objeto, superficie o fenómeno a través del análisis de los datos adquiridos por un instrumento que no está en contacto con él. Los datos del campo gravitatorio obtenidos por satélites de observación sí se pueden considerar como una técnica de teledetección. 14.5. La fórmula sería la siguiente: F = G × (m × M )/d 2 Donde:
G = 6,67 × 10−11 N × m2/kg2 m y M, las masa de los objetos. d, la distancia que separa los objetos.
14.6. Presentaría anomalía gravimétrica positiva debido a que en esa zona, por la presencia de basaltos, el valor de g sería mayor de lo esperado. 14.7.
Composición
Hidrógeno y helio
Vapor de agua, dióxido de carbono y óxidos de azufre.
Cómo desapareció Una lluvia de partículas procedentes del Sol, llamada viento solar, barrió la atmósfera de la Tierra, quedó despojada de su envoltura gaseosa y se perdió la primera atmósfera, convirtiéndose en rocas desnudas. Desaparece hace unos 3 800 millones de años con la aparición de la vida en la Tierra y el consumo de dióxido de carbono y producción de oxígeno mediante la fotosíntesis.
Dióxido de carbono, nitrógeno, oxígeno y otros gases en muy baja proporción.
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SOLUCIONARIO
14.8. En la troposfera, la convección da lugar al ciclo del agua y hace funcionar los agentes geológicos, ya que el vapor de agua al ascender se enfría, condensa y origina las nubes y las precipitaciones. En cambio, en la estratosfera la temperatura aumenta con la altitud, lo que determina que en ella no haya convección.
LABORATORIO
14.9. Cuando las masas de aire se desplazan en dirección norte-sur, son desviadas de su trayectoria por el movimiento de rotación de la Tierra, por lo que no llega a completarse la mezcla del aire frío con el caliente, sino que en cada hemisferio se forman tres masas de aire bastante independientes entre sí: – El aire polar, situado sobre los polos y que llega hasta los 60 grados de latitud norte y sur. – El aire templado, que forma un cinturón entre los 60 y los 30 grados de latitud. – El aire tropical, que forma otro cinturón entre los 30 grados de latitud y el ecuador. – Estas masas de aire presentan un movimiento de convección acoplado, de manera que cada una gira de forma coherente con las adyacentes. Las zonas donde estos cinturones se tocan entre sí reciben el nombre de zonas de convergencia, y es precisamente la interacción entre las diferentes masas de aire en estas zonas de convergencia la que da lugar a las zonas climáticas.
14.15. Los papelitos que corresponden con la litosfera oceánica y la capa de sal del fondo con el manto inferior de la Tierra.
Aire polar Aire templado
Vientos del Este
Aire tropical
Alisios
ACTIVIDADES DE REPASO Discontinuidad de Mohorovicic
11.17. Corteza Manto superior
Discontinuidad de Repetti
Manto inferior
Núcleo externo
Núcleo interno
Vientos del Oeste Aire templado Aire polar
14.10. Una termoclina es la interfase entre el agua fría y el agua cálida en una masa de agua. Una masa de agua estratificada es aquella en la que el agua está separada en dos partes, una profunda fría y otra superficial más cálida. El agua caliente es menos densa que el agua fría y tiende a flotar sobre ella. 14.11. Las masas de agua estratificadas son muy estables y en ellas es difícil que se produzca mezcla vertical y, por tanto, convección. 14.12. La termoclina será más marcada en un clima caluroso que en uno frío. 14.13. Los periodos de anoxia oceánica son aquellos en los que la hidrosfera ha permanecido con muy poco oxígeno disuelto, disminuyendo en consecuencia, la biodiversidad marina. La existencia de corrientes profundas en los océanos dificultan la posibilidad de anoxia.
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14.16. A medida que el agua se calienta, se forman corrientes de agua del fondo que ascienden hacia la superficie, pero cuando llegan a la discontinuidad, la densidad mucho menor del agua dulce les hace hundirse. Algunas corrientes consiguen ascender dentro del agua dulce y llegan a rozar la superficie, para hundirse a continuación. Los papelitos son arrastrados hacia arriba y hacia abajo por estas corrientes. Algunos permanecen durante un rato en la superficie y se hunden a continuación. Los que quedan apoyados sobre la discontinuidad se hunden también a veces hacia el «núcleo» de sal, descendiendo a través del «manto inferior» de agua salada.
Discontinuidad de Gutenberg
Vientos del Oeste
Vientos del Este
14.14. Porque el agua salada es más densa y se queda en el fondo del recipiente y sobre ella permanecen los papelitos que no pueden hundirse porque son menos densos, por encima de los papelitos queda el agua dulce.
Discontinuidad de Lehman
14.18. Cualquier objeto hecho de una sustancia que sea porosa y fácilmente compresible, presenta esta propiedad: la gomaespuma de las esponjas, un trozo de corcho, el porexpan (o «corcho blanco»), etc., son sustancias que aumentan su densidad al comprimirlas, sin cambiar su composición. Incluso el aire, o cualquier gas, puede ser un ejemplo válido que cumple esa característica. 14.19. La capa D” se presenta entre 100 y 400 km y se encuentra en la zona de transición entre el manto y el núcleo. Los materiales que forman la capa D” son arrastrados por las corrientes de convección del manto, y del mismo modo que son acumulados sobre la superficie del núcleo, pueden ser también arrastrados hacia arriba por las corrientes ascendentes. 14.20. Existen diversas teorías sobre el origen de la Luna, la más aceptada actualmente sostiene que en los inicios de la existencia de la Tierra, un planeta de tipo terrestre, colisionó con la Tierra y parte del planeta, junto con materiales de la zona impactada, originaría la Luna, que quedó orbitando en torno a nuestro planeta. Si esta teoría fuese cierta sí se explica que la composición de la Luna sea similar a la del manto terrestre.
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14.21. Las corrientes de convección del núcleo externo originan el campo magnético terrestre. Parte de los átomos de hierro están ionizados, por lo que las cargas positivas y negativas son arrastradas por separado, siguiendo trayectorias circulares que engendran un campo magnético que percibimos en la superficie. La rotación terrestre orienta estas corrientes de convección, por lo que los polos magnéticos están muy cerca de los polos geográficos. El campo magnético que rodea la Tierra protege a nuestro planeta de los rayos cósmicos, y por tanto a la vida que contiene, también ayuda a conservar nuestra atmósfera. 14.22. La dirección, inclinación e intensidad del campo magnético se mide mediante magnetómetros. Las variaciones en estas magnitudes sobre los valores medios correspondientes se consideran anomalías magnéticas, y pueden darse tanto en su intensidad como en su dirección. Con unos alfileres imantados se puede construir un magnetómetro sencillo. 14.23. Para detectar la presencia de un acuífero en el subsuelo utilizaría un estudio magnético. Se ha comprobado que la presencia de acuíferos proporcionan variaciones en los valores esperados de dirección o intensidad del campo magnético. Para buscar rocas de alta densidad utilizaría un método gravimétrico, puesto que la intensidad de la fuerza gravitatoria que ejerce un objeto es mayor cuanto mayor es su densidad. Cuando en una zona el valor de g es algo mayor de lo esperado, se considera que en ese lugar hay una anomalía gravimétrica positiva, que delata la presencia en el subsuelo de materiales de mayor densidad. 14.24. En 1914 el geólogo Joseph Barrell sugirió la existencia de una zona de baja rigidez situada a unos 100 km de profundidad para explicar los movimientos verticales isostáticos de los continentes. Llamó a esta capa astenosfera, literalmente «capa débil», haciendo referencia a su plasticidad. Los estudios sísmicos posteriores, cada vez más detallados, no detectaban la presencia de esta astenosfera en todos los lugares, por tanto, podría ser que la astenosfera no fuera la responsable de los movimientos verticales isostáticos de los continentes. La física de los fluidos demostró que la litosfera se mueve arrastrada por las corrientes de convección ascendentes y descendentes desde la base del manto y no por la existencia de la astenosfera. 14.25. Un nivel de despegue es una capa poco rígida que permite el deslizamiento de los materiales situados sobre ella. Se suponía que era la astenosfera la responsable de los movimientos de deriva de los continentes, porque no se conocía aún que no estaba presente en todas las zonas del globo terrestre. Además no se habían realizado estudios sísmicos detallados ni se había desarrollado la física de fluidos que explicaría posteriormente la verdadera razón del movimiento de los continentes. 14.26. La reología es una parte de la física que estudia la viscosidad de los fluidos y su facilidad para fluir de forma laminar o turbulenta. La física de los fluidos o reología demostró que el manto terrestre tiene la misma capacidad de fluir que el agua, en el manto se producen corrientes de convección ascendentes y descendentes, que permiten a la litosfera moverse arrastrada por esas corrientes que la empujan desde su base.
14.27. La energía térmica que posee la Tierra en su interior es, casi en su totalidad, calor residual producido durante su formación, hace unos 4 500 millones de años, principalmente por tres procesos: – El intenso bombardeo meteorítico durante la fase de acreción del planeta. Las colisiones aportaron calor al transformar la energía cinética en energía térmica. – La diferenciación gravitatoria por densidades, con la consiguiente formación del núcleo. La caída de los materiales metálicos densos hacia el interior y el ascenso de los materiales rocosos formando el manto y la corteza generó calor por rozamiento. Este proceso transforma la energía potencial gravitatoria en energía térmica. – La desintegración de elementos radiactivos, que en el pasado fueron mucho más abundantes que en la actualidad. Estas desintegraciones producen el calentamiento de los materiales bombardeados por las partículas subatómicas generadas. Se transforma así energía nuclear en energía térmica, de un modo similar a como ocurre en los reactores de las centrales nucleares. La superficie terrestre, que hace 4 500 millones de años era prácticamente un océano de roca fundida, se enfrió con mucha rapidez. En apenas 200 millones de años ya se había formado una corteza sólida sobre la que había océanos incipientes. 14.28. Debido a que las rocas son malas conductoras del calor, la corteza actuó como una manta, retardando mucho el enfriamiento del manto, por lo que aunque la superficie estaba fría, el interior continuaba muy caliente. El principal mecanismo evacuador de calor del interior de la Tierra fue y sigue siendo el vulcanismo, mediante el que las rocas fundidas son vertidas al exterior, enfriándose rápidamente. 14.29.
A
Corrientes de convección
B
En el recipiente B el agua y el aceite no se mezclan fácilmente, puesto que sus densidades y composiciones químicas son muy diferentes, y aunque sí hay un intenso flujo de calor, la evacuación del calor es más eficaz en el recipiente A, en el que solo tenemos agua. 14.30. Llegada de las ondas P
Llegada de las ondas S Tiempo
El tiempo de retraso de las ondas S con respecto a las P es de unos 2 min. 15 s.
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SOLUCIONARIO Solución analítica: (Para simplificar, tomamos el epicentro como si fuera el foco sísmico desde el que parten simultáneamente las ondas P y S). Distancia recorrida desde el foco sísmico hasta el laboratorio = Velocidad de la onda sísmica ⋅ tiempo. Abreviadamente: D=V⋅t Para las ondas P: D=6⋅t Para las S, que llegan con 135 segundos de retraso: D = 3 ⋅ (t + 135) Resolviendo el sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas, se obtiene que: D = 810 km
14.31. En el interior del Sol la presión de su propio peso inició las reacciones de fusión nuclear, y nuestra estrella comenzó a brillar. Su nacimiento fue un acontecimiento violento que expulsó al espacio una gran cantidad de partículas a enormes velocidades. Esta lluvia de partículas, llamada viento solar, barrió la atmósfera de los planetas más próximos. Mercurio, Venus, la Tierra y Marte quedaron despojados de su envoltura gaseosa y se perdió la primera atmósfera, convirtiéndose en rocas desnudas. Sin embargo, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno permanecieron como gigantes gaseosos, pues no les afectó el viento solar. 14.32. El viento solar es una lluvia de partículas formadas por fusión nuclear que son expulsadas al espacio desde el Sol. La atmósfera actúa como «escudo» en la Tierra frente al viento solar. 14.33. Las diferencias de temperatura entre los polos y el ecuador sería mayores si no existiese la hidrosfera, ya que el agua contribuye a regular el clima del planeta por su gran capacidad de almacenar energía y uno de los efectos más importantes de las corrientes es la distribución de calor en el planeta. Las corrientes profundas de los océanos se forman por las diferencias de densidad de las aguas, debido a los cambios de temperatura y salinidad, por lo que también se llaman corrientes termohalinas. El agua fría y densa de los mares polares desciende hacia las capas profundas del océano y se dirige hacia el ecuador, desplazando hacia la superficie las aguas más cálidas, con lo que disminuyen las diferencias de temperaturas entre los polos y el ecuador. 14.34. Se producirá convección en el recipiente que está siendo calentado por debajo (A). Se desarrollará una termoclina y por tanto, una estratificación en el recipiente que es calentado desde arriba (B), como ocurre en las masas de agua del planeta por el calentamiento del Sol, ya que el agua caliente es menos densa que el agua fría, y tiende a flotar sobre ella. ACTIVIDADES DE AMPLIACIÓN 14.35. A una profundidad de unos miles de metros (hasta 70 000 m, aproximadamente) nos encontramos en la corteza continental constituida principalmente por granito. Si profundizamos en el manto, encontramos peridotitas.
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14.36.
A
C Epicentro B
0
500 km
En el laboratorio A el retardo entre las ondas P y S es de 100 segundos, por tanto: e=v×t 6 km/s × t = 3 km/s × (t + 100) , resolviendo t = 100 segundos e = 6 × 100 = 600 km Significa que el foco sísmico se encuentra a 600 km del laboratorio A. En el laboratorio B el retardo entre las ondas P y S es de 95,3 segundos, por tanto: e=v×t 6 km/s × t = 3 km/s × (t + 95,3) , resolviendo t = 95,3 segundos e = 6 × 95,3 = 571,8 km Significa que el foco sísmico se encuentra a 571,8 km del laboratorio B. En el laboratorio C el retardo entre las ondas P y S es de 50 segundos, por tanto: e=v×t 6 km/s × t = 3 km/s × (t + 50) , resolviendo t = 50 segundos e = 6 × 50 = 300 km Significa que el foco sísmico se encuentra a 300 km del laboratorio C. Realmente la posición que hallamos es la del epicentro, el foco sísmico o hipocentro es el punto interior de la Tierra donde se origina el terremoto. 14.37. Los electrones moviéndose en círculos alrededor del cable enrollado y engendrando el campo magnético presentan similitud con las corrientes de convección del núcleo externo, que son las que originan el campo magnético que percibimos en la superficie terrestre. 14.38. En realidad se podría considerar que el manto interno es más sólido y elástico, mientras que el externo es un fluido viscoso. Aunque considerando largos periodos de tiempo, todo el manto se deforma como un fluido muy viscoso, que es lo que ocurriría en el caso de un asfalto de mala calidad sometido a grandes presiones, como el peso de los camiones a su paso por la carretera. 14.39. En 1914 el geólogo Joseph Barrell sugirió la existencia de una zona de baja rigidez situada a unos 100 km de profundidad para explicar los movimientos verticales isostáticos de los continentes y llamó a esta capa astenosfera. 14.40. Los elementos radiactivos se van transformando con el paso del tiempo en isótopos estables. 14.41. Se mide en grados Celsius °C/km o °C/m. El gradiente térmico es la variación de la temperatura al recorrer una distancia determinada.
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SOLUCIONARIO El gradiente geotérmico es el aumento de temperatura de la Tierra según profundizamos, es decir, a medida que nos alejamos de la superficie y nos acercamos al interior. El gradiente geotérmico medio, para la corteza, es de 1 °C/33 m. Otros gradientes que podemos citar son: el gradiente barométrico que es la disminución de presión atmosférica al ganar altitud y el gradiente de olor que se percibe fácilmente al acercarnos a una fuente que produzca un determinado olor, por ejemplo al entrar en una pastelería o en un lugar en el que se está cocinando.
14.42. Si intentamos mover un objeto muy rápidamente dentro del agua, este muestra una gran resistencia, es decir: se comporta como si fuera muy viscosa. En esto se basa la eficacia de los remos de una embarcación. Si al tirarnos a una piscina caemos "en plancha" en el momento de chocar con la superficie intentamos apartar de nuestra trayectoria un gran volumen de agua en una fracción de segundos. En estas ocasiones el agua parece ser más dura o más rígida de lo normal. 14.43. Las charcas contaminadas suelen estar pobladas por masas de algas; a veces también tienen la superficie cubierta de diminutas plantas flotantes (lentejas de agua). Ambas realizan la fotosíntesis y aportan oxígeno a la atmósfera. En el fondo de la charca, donde la concentración de oxígeno disuelto es escasa o incluso nula, las bacterias desnitrificantes producen nitrógeno gaseoso (N2), que es el principal componente de la atmósfera. Paradójicamente, las masas de agua contaminadas con nutrientes (fosfatos y nitratos), son grandes productoras de oxígeno atmosférico. 14.44. La principal indicación de la ausencia de vida en Marte es el bajo porcentaje de oxígeno en su atmósfera, aproximadamente 0,13%, mientras que en la atmósfera de la Tierra es de 21 % aproximadamente. Existen otras características de la atmósfera de Marte, como la temperatura media de –63 °C o la baja cantidad de vapor de agua que llevan a pensar a la ausencia de vida en este planeta. La atmósfera de Marte es bastante diferente de la atmósfera de la Tierra. Está compuesta fundamentalmente por dióxido de carbono con pequeñas cantidades de otros gases. Los seis componentes más comunes de la atmósfera son: Dióxido de carbono (CO2): 95,32 %. Nitrógeno (N2): 2,7 %. Argón (Ar): 1,6 %. Oxígeno (O2): 0,13 %. Agua (H2O): 0,03%. Neón (Ne): 0,00025 %. 14.45. La convección en la troposfera es la que causa las molestas turbulencias durante un vuelo en avión. Los aviones comerciales vuelan a una altitud de entre 10 000 y 11 000 metros; se sitúan así por encima de la tropopausa, dentro de la estratosfera. En la estratosfera no hay convección y, por tanto, no existen turbulencias, con lo que el vuelo resulta mucho más confortable para los pasajeros, y también más seguro, ya que se elimina la posibilidad de que una fuerte turbulencia tormentosa ponga en peligro la estabilidad del avión. 14.46.
La acumulación de conchas de moluscos y también de algunos protoctistas origina estratos de calizas en los océanos, los arrecifes de coral influyen sobre las corrientes marinas y forman zonas resguardadas en las que la evaporación del agua es intensa, produciéndose la sedimentación de sales. Normalmente, las calizas marinas se producen a partir de pequeños esqueletos de seres vivos, que viven en las ca-
pas acuáticas superiores y que al morir caen al fondo del mar, donde constituyen los lodos de calcita. 14.47. Realmente, para transportar grandes cantidades de arena de la forma más rápida posible, interesaría contar con camiones grandes. Si cambiamos los términos, la cuestión planteada quedaría así: si quisiéramos llevar rápidamente una enorme cantidad de energía térmica de un lugar a otro donde hay poca, ¿nos interesaría utilizar líquido con alto calor específico o con bajo calor específico? El agua tiene un elevado calor específico, que le permite absorber o ceder grandes cantidades de calor variando poco su temperatura, por tanto, para el transporte de energía térmica sería adecuado utilizar un líquido con alto calor específico, como el agua, que se utiliza por esta razón en los sistemas de calefacción. El aire por el contrario tiene un calor específico muy bajo, y cuando intercambia calor con el agua, cambia de temperatura mucho más rápidamente que ella. Este trasvase de calor entre el agua y el aire determina que las corrientes oceánicas transporten grandes cantidades de calor desde las zonas ecuatoriales hacia los polos, y así amortiguan las diferencias térmicas que hay entre las regiones más calientes y las más frías del planeta. ORIENTACIONES PARA UN EXAMEN 14.48. Campo magnético terrestre Polo norte geográfico Polo sur magnético
Líneas de campo magnético.
Polo sur geográfico Polo norte magnético
Anomalías magnéticas locales Líneas del campo magnético sin deformar N
Líneas del campo magnético deformadas. Representan una anomalía magnética.
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3. La convección en el manto transporta el calor hastalas zonas superficiales.
Manto rocoso
2. La convección del núcleo externo transporta el calor hasta la base del manto.
Radiación ultravioleta Radiación visible
Mesosfera
4. El vulcanismo evacua el calor al exterior.
14.51. Representación de la variación de la temperatura en las primeras capas de la tierra.
Estratopausa 17 oC 50
Estratosfera
14.49. El proceso de evacuación del calor del interior terrestre hacia el exterior es el siguiente:
Ozonosfera
Hierro
Tropopausa 45 oC
Núcleo externo líquido
Núcleo interno sólido
1. El hierro cristaliza y precipita aumentando el tamaño del núcleo interno. La cristalización desprende calor.
Superficie: 15 oC 0 50
Altitud (km)
50 (Temperatura oC)
0
PRUEBA DE EVALUACIÓN 1
14.50.
1.
Radiación ultravioleta Radiación visible
Mesosfera
Troposfera
10
Calor
Corteza Manto superior
Estratopausa 17 oC
Estratosfera
50
Manto inferior
Ozonosfera Núcleo externo Tropopausa 45 oC
Troposfera
10 Superficie: 15 oC 0 50
0
50 (Temperatura oC)
En cuanto a la composición:
Altitud (km)
En la troposfera se realizan movimientos convectivos por el abundante oxígeno que proporciona que las temperaturas se distribuyan. En la estratosfera no hay movimentos convectivos porque la temperatura se aumenta con la altitud. Los movimientos convectivos hacen ascender el aire caliente Corrientes hacia la parte alta de la troposde convección fera, pero también hay un movimiento convectivo a gran escala que tiende a llevar el aire frío de los polos hacia el ecuador por las zonas altas de la atmósfra y el aire caliente de las zonas tropicales hacia los polos por las zonas bajas de la atmósfera.
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Núcleo interno
Capa
Discontinuidad en la base
Corteza
Basalto (c. oceánica) Granito (c. continental)
Superior Manto
Peridotitas Inferior Externo
Núcleo Interno
80 % de hierro; 20 % de níquel y otros metales
2. La capa D” presenta entre 100 y 400 km y se encuentra en la zona de transición entre el manto y el núcleo. Los materiales que forman la capa D” son arrastrados por las corrientes de convección del manto, y del mismo modo que son acumulados sobre la superficie del núcleo, pueden ser también arrastrados hacia arriba por las corrientes ascendentes.
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3. Parte de los átomos de hierro del núcleo están ionizados, por lo que las cargas positivas y negativas son arrastradas por separado, siguiendo trayectorias circulares (corrientes de convección) que engendran un campo magnético que percibimos en la superficie. La rotación terrestre orienta estas corrientes de convección, por lo que los polos magnéticos están muy cerca de los polos geográficos. 4. Cuando en una zona de la Tierra el valor de la aceleración que produce la fuerza de la gravedad es menor de lo esperado, se dice que existe una anomalía gravimétrica negativa. Las anomalías gravimétricas negativas pueden deberse a la existencia de materiales ligeros en esa zona, como sedimentos sin consolidar. 5. Durante los años setenta y ochenta del siglo XX se dio por supuesto que la astenosfera era una capa continua situada bajo la litosfera, que actuaba como lubricante o nivel de despegue y que sin ella, el movimiento de la litosfera sería imposible, debido al rozamiento con el manto subyacente. 6. La desintegración de elementos radiactivos, que en el pasado fueron mucho más abundantes que en la actualidad, producen el calentamiento de los materiales bombardeados por las partículas subatómicas generadas. Se transforma así energía nuclear en energía térmica, de una forma similar a como ocurre en los reactores de las centrales nucleares. 7. – En la troposfera, la convección da lugar al ciclo del agua y hace funcionar los agentes geológicos, ya que el vapor de agua al ascender se enfría, condensa y origina las nubes y las precipitaciones. En cambio, en la estratosfera la temperatura aumenta con la altitud, lo que determina que en ella no haya convección. – En cada hemisferio se forman tres masas de aire bastante independientes entre sí: • El aire polar, situado sobre los polos y que llega hasta los 60 grados de latitud norte y sur. • El aire templado, que forma un cinturón entre los 60 y los 30 grados de latitud. • El aire tropical, que forma otro cinturón entre los 30 grados de latitud y el ecuador. 8. Una corriente oceánica cálida como la corriente del Golfo en el océano Atlántico Norte, cede eficazmente el calor del aire situado sobre ella. Si sobre el océano se desplaza una masa de aire frío y seco, el aire se calienta y se carga de humedad rápidamente. 9. a) Hace 4 300 millones de años, apenas doscientos millones de años después de la fusión de nuestro planeta, ya existía una corteza sólida y fría. Sobre ella se fue acumulando el agua procedente de la condensación del vapor expulsado por los volcanes. Desde entonces aquella hidrosfera primitiva ha ido aumentando de volumen a medida que la actividad volcánica ha seguido aportando vapor de agua a la superficie terrestre. b) La termoclina es la interfase entre el agua fría y el agua cálida en una masa de agua. 10. Esta pregunta es de respuesta abierta pero a modo de ejemplo podemos indicar algunas de las interacciones entre la biosfera y la atmósfera como la actividad fotosintética que produce oxígeno; entre la biosfera y la hidrosfera como los arrecifes de coral que influyen sobre las corrientes marinas; y entre la biosfera y la geosfera como la acumulación de restos orgánicos que forma el carbón y el petróleo.
PRUEBA DE EVALUACIÓN 2 1. En las flechas señaladas, desde la superficie al núcleo se indicarían las discontinuidades y la profundidad a la que se encuentran de la siguiente forma: – Discontinuidad de Mohorovicic (10-70 km). – Discontinuidad de Repetti (670 km). – Discontinuidad de Gutenberg (2 900 km). – Discontinuidad de Lehman (5 150 km). Discontinuidad de Mohorovicic Discontinuidad de Repetti
Discontinuidad de Gutenberg
Discontinuidad de Lehman
2. El origen del Sistema Solar, hace unos 5 000 millones de años, fue un proceso violento con colisiones entre planetas en formación, asteroides y meteoritos. El calor producido por aquellas colisiones, junto con el producido por las desintegraciones de elementos radiactivos, acabó por fundir casi por completo los planetas, lo que a su vez permitió que el hierro, un elemento metálico muy denso y muy abundante, se fuera decantando hacia el interior, quedando sobre él una envoltura rocosa menos densa. Así es como todos los planetas acabaron por tener un núcleo metálico de hierro y un manto rocoso de peridotita. 3. La intensidad de la fuerza gravitatoria que ejerce un objeto es mayor cuanto mayor es su densidad. Los materiales que forman la Tierra tienen diferentes densidades; en la corteza oceánica basáltica la densidad es algo mayor que en la corteza continental granítica, lo que se traduce en una diferencia pequeña pero apreciable de la intensidad del campo gravitatorio. 4. Las variaciones en la dirección o intensidad del campo magnético sobre los valores medios correspondientes se denominan anomalías magnéticas. Estas anomalías ponen de manifiesto la presencia en el subsuelo de materiales que desvían las líneas del campo magnético, normalmente materiales metálicos o acuíferos. 5. Durante los años setenta y ochenta del siglo XX se dio por supuesto que la astenosfera era una capa continua situada bajo la litosfera, que actuaba como lubricante o nivel de despegue y que sin ella, el movimiento de la litosfera sería imposible, debido al rozamiento con el manto subyacente. Sin embargo, los estudios sísmicos, cada vez más detallados, no detectaban la presencia de esta astenosfera en todos los lugares. Posteriormente, gracias a la física de los fluidos, se llegó a la conclusión de que es el manto el que con sus corrientes de convección ascendentes y descendentes mueve la litosfera desde su base.
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6. La diferenciación gravitatoria por densidades, con la consiguiente formación del núcleo constituido por los materiales metálicos densos hacia el interior y el ascenso de los materiales rocosos formando el manto y la corteza, generó calor por rozamiento. Este proceso transforma la energía potencial gravitatoria en energía térmica. 7. Hace unos 3 800 millones de años surgió la vida en la Tierra, probablemente en forma de bacterias, en las zonas de actividad volcánica de las dorsales oceánicas. Cuando las bacterias fueron colonizando las partes superficiales de los océanos y llegaron a la zona iluminada, desarrollaron la capacidad de realizar la fotosíntesis, proceso que consume dióxido de carbono y produce como residuo oxígeno. Fue el comienzo de un cambio drástico en la composición atmosférica. Tras otros mil millones de años de lenta acumulación de oxígeno, la Tierra tuvo su tercera atmósfera, que empezaba a parecerse a la actual, rica en oxígeno. 8. Una corriente oceánica fría, como la corriente del Labrador en el océano Atlántico Norte, absorbe calor del aire situado sobre ella. Si sobre el océano se desplaza una masa de aire cálido y húmedo, el aire se enfría rápidamente, produciéndose la condensación de su humedad, con la consiguiente formación de bancos de niebla. 9. La tendencia a la flotabilidad producida por la alta temperatura del agua conlleva a que el agua producida en el golfo de Méjico, a pesar de su alta salinidad, flote por la superficie del Atlántico formando una corriente cálida, llamada corriente del Golfo, que deriva hacia el norte. A medida que llega a latitudes más altas encuentra masas de aire más frío, y va cediendo su calor. Esto hace que Europa reciba vientos húmedos y cálidos procedentes del Atlántico. Al llegar a la altura de Noruega, la corriente oceánica se ha convertido ya en una corriente fría y salada, y se hunde hacia el fondo del Atlántico. Esta corriente descendente llega al fondo del océano Atlántico y lo recorre hacia el sur, se forma así un río submarino que discurre por los fondos oceánicos de todo el mundo y que recibe el nombre de corriente termohalina, haciendo referencia a que son la temperatura y la salinidad las causantes de su formación. 10. Esta pregunta es de respuesta abierta pero a modo de ejemplo podemos indicar algunas de las interacciones entre la biosfera y la atmósfera como la actividad fotosintética que produce oxígeno; entre la biosfera y la hidrosfera como los arrecifes de coral que influyen sobre las corrientes marinas; y entre la biosfera y la geosfera como la acumulación de restos orgánicos que forma el carbón y el petróleo. AMPLIACIÓN 1. La litosfera continental permanece a lo largo del tiempo separándose, reuniéndose y creciendo progresivamente, mientras que la oceánica se destruye en las zonas de subducción y se reconstruye en las dorsales también de forma continua. 2. El hecho de que se pueda estudiar el pasado del campo magnético en la Tierra se debe a que, al contrario que otros campos como el gravitatorio, el magnético puede quedar grabado en las rocas a través de varios procesos físico-químicos. Así, ha sido posible conocer los mecanismos de generación del campo geomagnético, su origen interno y sus características. 3. Puesto que existen datos directos de los valores de densidad media en los continentes y océanos, siendo de 2,7 g/cm3 y 3,3 g/cm3, respectivamente, para que la densidad media de todo el planeta sea de 5,52 g/cm3 , entonces las capas más
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profundas de la corteza deberán tener una densidad superior a la densidad media. Por tanto, la densidad de los materiales del manto es mayor que la de los materiales de la corteza. 4. Los superpenachos se refieren a las masas de material caliente que asciende desde el núcleo y las avalanchas o cascadas subductivas a las aglomeraciones de material litosférico que descienden hasta el núcleo. 5. Durante las primeras etapas de su formación, la Tierra debió calentarse mucho y posiblemente fundirse por completo. Los científicos piensan que los numerosísimos impactos de fragmentos rocosos en la prototierra pudieron generar suficiente calor como para fundirla. Solo así se podría explicar la diferenciación en capas por densidades que presenta en su interior ya que la migración de los elementos pesados hacia el centro y de los elementos ligeros hacia la superficie solo pudo producirse en un medio fluido (rocas y metales fundidos). Por tanto, la estructura en capas que parece tener el interior terrestre sería una consecuencia directa de su posible fusión total en las etapas iniciales de su formación. 6. En la atmósfera podemos diferenciar cuatro capas: – La troposfera: alcanza hasta los 10 km aproximadamente, los gases presentan gran movilidad y se caracteriza por presentar los fenómenos meteorológicos. – La estratosfera: se extiende desde los 10 hasta los 50 km, en esta capa la temperatura es superior por la absorción de radiaciones ultravioletas e infrarrojas en la capa de ozono. – La mesosfera: desde 50 hasta 90 km aproximadamente, se registra un fuerte descenso térmico y los gases atmosféricos apenas se mueven. – La termosfera o ionosfera que se extiende hasta unos 10 000 km aproximadamente, los gases se encuentran ionizados como consecuencia de la intensa radiación solar. 7. El ozono nos protege de la radiación ultravioleta desde las capas altas de la atmósfera, pero en la troposfera es el principal protagonista de la contaminación por smog fotoquímico y participa de manera considerable en el calentamiento global del planeta, como consecuencia de su contribución al denominado efecto invernadero. 8. Dibujo 1. Una corriente oceánica fría, como la corriente del Labrador en el océano Atlántico Norte (flecha 1), absorbe calor del aire situado sobre ella. Si sobre el océano se desplaza una masa de aire cálido y húmedo (flechas 2), el aire se enfría rápidamente, produciéndose la condensación de su humedad, con la consiguiente formación de bancos de niebla. Dibujo 2. Una corriente oceánica cálida, como la corriente del Golfo en el océano Atlántico Norte (flecha 1) cede eficazmente el calor del aire situado sobre ella. Si sobre el océano se desplaza una masa de aire frío y seco (flechas 2), el aire se calienta y se carga de humedad rápidamente. 9. La termoclina varía con la latitud y la estación; es permanente en los trópicos, variable en los climas templados (más fuerte en los veranos) y es débil o prácticamente inexistente en las regiones polares, donde la columna de agua está tan fría en la superficie como en el fondo. 10. Algunos de las interacciones más conocidas entre la biosfera y la hidrosfera son: – Los arrecifes de coral influyen sobre las corrientes marinas y forman zonas resguardadas en las que la evaporación del agua es intensa, produciéndose la sedimentación de sales.
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– La actividad fotosintética disminuye la cantidad de CO2 disuelto, lo que provoca un descenso de la acidez del agua. Este aumento del pH del agua facilita la sedimentación de calizas.
– La acumulación de conchas de moluscos y protoctistas también origina estratos de calizas.
REFUERZO 1. Capa
Discontinuidad en la base
Espesor
Densidad media (kg/m3)
Composición
Corteza
Mohorovicic (10,70 km)
10-70 km
2 300-2 700
Basalto (c. oceánica) Granito (c. continental)
Superior
Repetti (670 km)
600 km
3 400-4 000
Inferior
Gutenberg (2 900 km)
2 230 km
4 400-6 000
Externo
Lehman (5 150)
2 250 km
9 800-12 000
–
Esfera de 1 220 km de radio
Manto
Peridotitas
Núcleo Interno
2. La diferencia de densidad y grosor entre las dos cortezas produce dos efectos importantes: – En la corteza granítica que forma los continentes encontramos algunas rocas muy antiguas, de más de 4 000 millones de años de antigüedad, mientras que en la corteza basáltica que forma los océanos no hallamos rocas de más de 200 millones de años de edad. – La corteza basáltica es más delgada y forma las cuencas oceánicas, mientras que la corteza granítica sobresale más sobre la superficie terrestre y forma los continentes. 3. Es una capa de entre 100 y 400 km de grosor que forma la transición entre el manto y el núcleo. La capa D” está formada por los restos más densos del manto, que han sido arrastrados a lo largo de millones de años por las corrientes de convención que en él tienen lugar. 4. El origen del Sistema Solar hace unos 5 000 millones de años, fue un proceso violento con colisiones entre planetas en formación, asteroides y meteoritos. El calor producido por aquellas colisiones, junto con el producido por las desintegraciones de elementos radiactivos, acabó por fundir casi por completo los planetas, lo que a su vez permitió que el hierro, un elemento metálico muy denso y muy abundante, se fuera decantando hacia el interior, quedando sobre él una envoltura rocosa menos densa. Así es como todos los planetas acabaron por tener un núcleo metálico de hierro. 5. Las anomalías magnéticas se deben a la presencia en el subsuelo de materiales que desvían las líneas del campo magnético, normalmente materiales metálicos o acuíferos. Las anomalías gravimétricas pueden ser positivas, que se deben a la presencia en el subsuelo de materiales de mayor densidad, como minerales metálicos, o bien negativas, que son debidas a la existencia de materiales ligeros , como pueden ser sedimentos sin consolidar. 6. a) Vulcanismo: evacua el calor desde el interior terrestre hacia el exterior. b) Convección del manto: transporta el calor desde el interior del manto hacia las zonas más superficiales. c) Convección del núcleo externo: transporta el calor desde la base del núcleo externo hasta la base del manto. d) Cristalización del hierro fundido del núcleo externo: forma el núcleo interno sólido, desprendiendo calor en el proceso.
12 000-12 500
80 % de hierro; 20 % de níquel y otros metales
7. El nitrógeno es el gas más abundante en la atmósfera, constituye un 78 % del total de los gases y se produce en la descomposición de la materia orgánica. 8. a) El aire de la atmósfera presenta movimientos convectivos que hacen ascender el aire caliente hacia la parte alta de la troposfera, pero además, hay un movimiento convectivo a gran escala que tiende a llevar el aire frío de los polos hacia el ecuador, y el aire caliente de las zonas tropicales hacia los polos. En este ultimo movimiento, las masas de aire norte-sur son desviadas de su trayectoria por el movimiento de rotación de la Tierra, por lo que no llega a completarse la mezcla del aire frío con el caliente, y en cada hemisferio se forman tres masas de aire bastante independientes entre sí. b) Estas masas de aire presentan un movimiento de convección acoplado, de manera que cada una gira de forma coherente con las adyacentes. Las zonas donde estos cinturones se tocan entre sí reciben el nombre de zonas de convergencia, y es precisamente la interacción entre las diferentes masas de aire en estas zonas de convergencia la que da lugar a las zonas climáticas. 9. La tendencia a la flotabilidad producida por la alta temperatura del agua conlleva a que el agua producida en el golfo de Méjico, a pesar de su alta salinidad, flote por la superficie del Atlántico formando una corriente cálida, llamada corriente del Golfo, que deriva hacia el norte. A medida que llega a latitudes más altas encuentra masas de aire más frío y va cediendo su calor. Esto hace que Europa reciba vientos húmedos y cálidos procedentes del Atlántico. Al llegar a la altura de Noruega, la corriente oceánica se ha convertido ya en una corriente fría y salada, y se hunde hacia el fondo del Atlántico. Esta corriente descendente llega al fondo del océano Atlántico y lo recorre hacia el sur, se forma así un río submarino que discurre por los fondos oceánicos de todo el mundo y que recibe el nombre de corriente termohalina, haciendo referencia a que son la temperatura y la salinidad las causantes de su formación. 10. La actividad fotosintética produce el oxígeno. Los arrecifes de coral influyen sobre las corrientes marinas y la cubierta vegetal ralentiza la erosión del suelo.
쮿 BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 1.° BACHILLERATO 쮿 MATERIAL FOTOCOPIABLE © SANTILLANA EDUCACIÓN, S. L. 쮿
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