F´ısica Gu´ıa de Materia La Tierra ´ dulo Comu ´n Mo II Medio

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´ s Melgarejo, Vero ´ nica Saldan ˜a Nicola Licenciados en Ciencias Exactas, U. de Chile Estudiantes de Licenciatura en Educaci´on, U. de Chile

1.

La Tierra

Comparado con el resto de los planetas del Sistema Solar, la Tierra debe ser el m´as interesante y din´amico. Desde el espacio se logra observar su atm´osfera parcialmente cubierta de nubes, las cuales se mantienen en constante movimiento, dejando de manifiesto las significativas variaciones estacionales. Cuantitativamente, la composici´ on qu´ımica de la atm´osfera de nuestro planeta difiere dr´asticamente de la de Marte y Venus, predominando el ox´ıgeno y el nitr´ogeno. Casi las tres cuartas partes de la superficie de la Tierra est´a cubierta h gr de i agua, el resto de la corteza corresponde a rocas, siendo la densidad media del planeta igual a 5,5 . El centro de la Tierra correscm3 ponde a la zona m´ as densa, trat´ andose de un n´ ucleo de hierro al igual como el que poseen Venus y Mercurio. Dentro de las caracter´ısticas relevantes de la Tierra se destacan: La Tierra es un geoide 1 en rotaci´ on con radio ecuatorial de 6.379[km] y un radio polar de 6.357[km]. Su masa es 5,98·1024 [kg] y su volumen es 1,08·1018 [m3 ]. Tiene propiedades magn´eticas, comport´andose como un gran im´an que posee un polo magn´etico positivo y un polo magn´etico negativo, opuestos a los polos geogr´aficos. Este campo magn´etico global es de origen desconocido, se cree que se debe a las corrientes el´ectricas que se generan en el n´ ucleo de la Tierra. Este campo es fundamental para la generaci´on de la Magnet´osfera, regi´ on que protege la vida del planeta de part´ıculas y rayos de origen c´osmico, provenientes principalmente del viento solar. En cuanto a la estructura terrestre se distinguen tres capas en su composici´on: Ge´osfera (tierra), Hidr´osfera (agua) y Atm´ osfera (gases). La Ge´osfera representa el 99,9 % de la masa del planeta, en cambio, la Hidr´osfera representa el 0,029 % y la Atm´ osfera s´ olo el 0,008 %.

1.1.

Origen de la Tierra

El origen de la Tierra se estima que fue hace 4.600 millones de a˜ nos, se cree que su formaci´on se debe a una nebulosa 2 de la cual se originaron el Sol y los planetas a partir de los siguientes sucesos: Condensaci´ on de las part´ıculas de polvo c´osmico (fragmentos rocosos de hierro, carbono, entre otros) originando un protoplaneta rodeado de gases nobles e hidr´ogeno. Se acumula en el centro gran cantidad de materia y aumenta la temperatura, as´ı comienza la formaci´on del Sol. Luego la nebulosa se aplana a su alrededor, quedando como un disco en rotaci´ on. El polvo y gas condensado se unen en peque˜ nos bloques de materia, los que aumentan de tama˜ no a medida que atraen y concentran mayor cantidad de elementos, form´andose los planetas. El calentamiento de las concentraciones de materia debido a impactos con otros cuerpos, la presi´ on ejercida por la gravedad y la radiactividad de elementos como uranio, torio y potasio, provocaron una gran fusi´ on. En particular en la Tierra los materiales m´as densos se separaron y se hundieron, y los menos densos se distribuyeron hacia la superficie. Su atm´osfera estaba compuesta por agua, metano, amoniaco, ´ acidos como el clorh´ıdrico y el fluorh´ıdrico y sustancias t´oxicas como el mon´ oxido de carbono. 1 2

Geoide: Cuerpo de forma casi esf´erica con un ligero achatamiento en los polos. Nebulosa: Nube gigantesca compuesta por gases y polvo interestelar.

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Hace 4.000 millones de a˜ nos la Tierra comenz´o a enfriarse; el vapor de agua se condens´o, form´ o nubes que luego provocaron lluvias, las que dieron origen a los oc´eanos. Comienzan los procesos de erosi´ on, transporte y sedimentaci´ on de materiales al reaccionar el agua de la lluvia con las rocas. Surgen los primeros continentes y la actividad volc´anica es muy intensa. Hace 2.200 millones de a˜ nos ya hab´ıa continentes, oc´eanos y se generaban los procesos geodin´ amicos (movimiento de placas y erosi´ on) semejantes a los actuales.

1.2.

Estructura interna de la Tierra

El interior de la Tierra es un lugar absolutamente inaccesible para el hombre, los movimientos s´ısmicos son los u ´nicos fen´ omenos f´ısicos que proporcionan informaci´on acerca de la naturaleza del interior terrestre. De los an´alisis de las ondas s´ısmicas se ha podido determinar a lo menos tres zonas bien diferenciadas en que se puede dividir el interior de la Tierra, ellas son la corteza, el manto y el n´ ucleo.

1.2.1.

N´ ucleo

Regi´on m´as interna de la Tierra, la cual posee un radio de 3.480[km]. En el n´ ucleo se distinguen dos zonas bien diferenciadas: el n´ ucleo interno s´olido y el n´ ucleo externo l´ıquido, ambas zonas est´ an compuestas de hierro y una peque˜ na cantidad de n´ıquel. El n´ ucleo l´ıquido se caracteriza por la formaci´ on de corrientes el´ectricas en ´el, lo que genera el campo magn´etico de la Tierra, el cual se extiende por miles de kil´ometros alrededor de la Tierra. En el centro de la Tierra la temperatura es de 6.000◦ C. 1.2.2.

Manto

Gruesa capa de rocas volc´ anicas que llega a una profundidad de 2.900[km]. Es una regi´on en donde las temperaturas oscilan entre 1.200 y 2.800◦ C, compuesta principalmente por silicatos de hierro y magnesio. Se distinguen dos partes: el manto superior que sirve de apoyo a las placas tect´onicas y el manto inferior en donde se generan corrientes de convecci´ on debido a la diferencia de temperatura y densidad del material, determinando el movimiento de las placas tect´onicas.

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1.2.3.

Corteza

Corresponde a la regi´ on m´ as superficial de la Tierra, zona en la cual habitamos. Es una delgada capa que tiene un espesor que var´ıa entre los 5[km] en las profundidades oce´anicas y los 70[km] en la base de las monta˜ nas de gran envergadura. Proporcionalmente, si la Tierra fuera una manzana, la corteza ser´ıa su c´ascara. Esta zona est´ a compuesta por rocas en fase s´olida ricas en silicio y aluminio, distingui´endose la corteza oce´anica y la corteza continental, siendo la primera m´as delgada, pero m´as densa.

1.3.

Placas tect´ onicas

La parte s´olida y rocosa del exterior de la Tierra se denomina Litosfera que incluye a la corteza y la parte externa del manto. Aqu´ı es en donde se encuentran las placas tect´onicas en las que est´a fracturada la corteza terrestre, las cuales navegan sobre la Astenosfera, que es la capa sobre la que descansa la Litosfera y en la cual se produce el flujo de l´ıquido espeso por convecci´on. La teor´ıa de las placas tect´ onicas, propuesta en 1.910 por el geof´ısico Alfred Wegener, explica la estructura y din´ amica de la Tierra. La distribuci´on actual de los continentes tiene una historia: hace 200 millones de a˜ nos existi´ o un supercontinente, formado por la uni´on de todos los continentes actuales, llamado Pangea el cual comenz´ o a fracturarse debido al movimiento de las placas tect´onicas. Pangea se dividi´o formando dos continentes nuevos: Gondwana y Laurasia, los cuales con el correr de los a˜ nos se volvieron a fragmentar por efecto del movimiento de las placas tect´onicas, gener´andose finalmente la distribuci´on que conocemos actualmente. La inspiraci´ on de esta teor´ıa confirmada es simplemente ver cuan bien “encajan” en el mapa las ´ formas de Am´erica con las de Europa y Africa. Actualmente se sabe que las placas tect´onicas se mueven con una velocidad que oscila entre 1 y 10 cent´ımetros por a˜ no, lo que puede parecer poca cosa, pero en tiempo de millones de a˜ nos se logran acumular movimientos significativos. Dependiendo del sentido del movimiento de las placas, se distinguen tres tipos de interacci´on: Bordes divergentes: Las placas se separan y una nueva Litosfera emerge a la superficie. Bordes convergentes: Las placas se presionan entre s´ı y la m´as densa puede hundirse bajo la otra. Bordes de transformaci´ on: Las placas se deslizan entre s´ı, paralelamente, en sentidos contrarios.

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1.3.1.

Chile y las placas tect´ onicas

Chile se encuentra a lo largo del borde de dos placas tect´onicas, estas son la de Nazca y la Sudamericana, esta ubicaci´ on determina que nuestro pa´ıs sea un escenario de intensa actividad s´ısmica y volc´anica. La placa de Nazca penetra por debajo de la placa Sudamericana, fen´omeno llamado subducci´ on, en donde la Litosfera oce´ anica es consumida por una fosa submarina, retornando as´ı al manto. Las consecuencias de la interacci´ on de estas placas son: Actividad s´ısmica: La fuerte tensi´on generada a lo largo del l´ımite entre las placas provoca la ruptura de la corteza terrestre (fallas). En las fallas se originan los temblores. Maremotos: Tambi´en llamados tsunami, son efecto directo de los terremotos producidos en la corteza oce´ anica. Actividad volc´ anica: La enorme fricci´on que genera la subducci´on funde la corteza rocosa, form´andose magma 3 . Al aumentar su presi´on el magma escapa hacia la superficie a trav´es de los volcanes. Formaci´ on de monta˜ nas: El borde de la placa Sudamericana, por efecto de la enorme compresi´ on que experimenta, se levanta y forma cadenas monta˜ nosas paralelas a los bordes de las placas.

1.4.

Actividad s´ısmica

Los sismos son fen´ omenos naturales que liberan energ´ıa, se producen con frecuencia en los bordes de las placas tect´onicas, en donde la tensi´ on entre ´estas provoca el quiebre de la corteza terrestre, a lo que se denomina falla. En menor frecuencia se producen como consecuencia de una erupci´on volc´anica. Un sismo tiene un foco y un epicentro. Foco o hipocentro es el lugar subterr´ aneo en donde se produce la sacudida expresado en [km] de profundidad. En cambio, el epicentro es el lugar geogr´ afico de la superficie de la Tierra, directamente sobre el foco. Existen dos escalas de uso universal para medir la magnitud e intensidad de un sismo, respectivamente: 1.4.1.

Escala de Richter

Se basa en la m´ axima amplitud de las ondas s´ısmicas registradas en el sismograma de un temblor. En esta escala, una diferencia de magnitud igual a 1 entre dos sismos, equivale a un incremento de diez veces en la amplitud de la onda s´ısmica. Respecto de la energ´ıa liberada en un terremoto, cada aumento en una unidad de magnitud Richter equivale a una liberaci´on de energ´ıa 30 veces mayor aproximadamente. 1.4.2.

Escala de Mercalli

No se basa en los registros sismogr´ aficos, sino en el efecto o da˜ no producido en las estructuras y en la sensaci´on percibida por la gente. Esto u ´ltimo se mide seg´ un la intensidad del sismo asign´andole una medida desde el nivel I (muy d´ebil) al XII (destrucci´on total). La intensidad asociada se relaciona con la magnitud Richter, la distancia al epicentro, la resistencia de las construcciones, la estructura del suelo y la percepci´on de la poblaci´on. Intensidad I 3

Efecto observado No sentido, excepto por pocos.

Magma: Roca fundida en la Litosfera, incluyendo gases disueltos y cristales.

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II III IV V VI VII

VIII IX X XI XII

Sentido s´ olo por pocas personas en reposo, especialmente en los pisos superiores. Sentido claramente en interiores, especialmente en los pisos superiores, pero muchas personas no lo reconocen como temblor. En el d´ıa es sentido en los interiores por muchas personas; en exteriores, por pocas. Sentido por la mayor´ıa; muchos se despiertan. Se advierte a veces movimiento de ´ arboles, postes y otros objetos altos. Sentido por todos; muchos se asustan y corren al exterior. Algunos muebles pesados se mueven. Todos escapan al exterior. Da˜ no m´ınimo en edificios bien dise˜ nados y construidos; da˜ no considerable en estructuras mal dise˜ nadas o mal construidas. Da˜ no considerable en edificios ordinarios. Ca´ıda de chimeneas, columnas, monumentos, muros. Los edificios se desplazan de sus cimientos. Grietas visibles en el suelo. La mayor´ıa de las estructuras se destruyen. Suelo muy fracturado. Pocas estructuras, o ninguna, permanecen en pie. Los puentes se destruyen. Largas y profundas grietas en el terreno. Da˜ no total. Ondas visibles en el terreno. Los objetos son lanzados al aire.

El mayor sismo registrado y medido en la historia s´ısmica mundial fue el sucedido en Valdivia, Chile en 1.960 que tuvo una magnitud de 9,5 y produjo un maremoto que se propag´o por todo el Pac´ıfico, alcanzando incluso a Jap´ on. Tambi´en destacan los terremotos que se produjeron en: Alaska, 1.964 de magnitud 9,2; Sumatra (Indonesia), 2.004 de magnitud 9,1; Kamchatka (Siberia), 1.952 de magnitud 9; entre otros. En Chile otros terremotos de gran magnitud durante los 90’s fueron los de Valpara´ıso, 1.906 de magnitud 8.39 y de Chill´ an, 1.939 de magnitud 7,8. Recientemente el 27 de febrero del 2.010 se produjo un terremoto de magnitud 8,8 con epicentro en mar chileno, entre las localidades de Curanipe y Cobquecura.

1.5.

Actividad volc´ anica

Un volc´an consiste esencialmente en una c´ amara magm´ atica 4 , un sistema de conductos subterr´ aneos por el que el magma sube a la superficie, destac´andose la chimenea principal y el cr´ ater 5 por donde emerge la lava 6 . M´as de 100 volcanes, potencialmente activos, se encuentran a lo largo de Chile en la Cordillera de Los Andes, los cuales se originaron por la subducci´on de la placa de Nazca bajo la placa Sudamericana, lo que provoca el calentamiento y fusi´ on de la roca subterr´anea. El magma se acumula, su presi´on aumenta y se abre paso hacia la superficie, as´ı se inicia una erupci´on volc´anica. 4

C´ amara magm´ atica: Dep´ osito de roca fundida que est´ a a unos cuantos kil´ ometros de profundidad. Cr´ ater : Se encuentra en la cima del volc´ an. 6 Lava: Magma que sale al exterior. 5

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1.6.

Caracter´ısticas que permiten la vida

1.6.1.

Atm´ osfera

Contiene el ox´ıgeno que necesita el reino animal y el di´oxido de carbono para el reino vegetal. Nos protege del Sol filtrando la radiaci´on nociva para la vida, tales como los rayos gamma, los rayos X y los ultravioleta. Pero no todas las ondas electromagn´eticas son filtradas por la Atm´osfera, ya que algunas son indispensables para el proceso de fotos´ıntesis, adem´as existen otras como un espectro de las infrarrojas, que est´ an asociadas a la radiaci´on cal´orica, que tambi´en atraviesan esta capa. Regula la temperatura terrestre: equilibra la del d´ıa con la de la noche (momento en que no llegan los rayos solares que dan luz y calor), y transporta el calor de las zonas m´as c´alidas a las m´ as fr´ıas del planeta. Se compone de un 78 % de nitr´ ogeno, un 21 % de ox´ıgeno y un 1 % de otros gases como arg´ on, di´oxido de carbono y vapor de agua. El nitr´ ogeno es el gas m´ as abundante de la Atm´ osfera, liberado hacia ella por las erupciones volc´anicas. El ox´ıgeno es el segundo gas m´ as abundante de la Atm´ osfera, producido principalmente por las plantas. Se distinguen cinco capas principales de la Atm´osfera: • Troposfera: Es la capa m´ as pr´ oxima a la superficie terrestre, la que absorbe la energ´ıa t´ermica del Sol y en ella se producen los fen´omenos meteorol´ogicos. • Estratosfera: En ella se encuentra la capa de ozono que filtra la radiaci´on ultravioleta. • Mesosfera: Es la capa en donde se registra la temperatura m´as baja de la Atm´osfera y es importante por la ionizaci´ on y las reacciones qu´ımicas que ocurren en ella. • Termosfera: Absorbe la radiaci´on ultravioleta, los rayos gamma y los rayos X. Una parte de la termosfera es la ionosfera que permite la propagaci´on de las se˜ nales de radio. Adem´ as en esta capa se producen las auroras boreales y australes. • Exosfera: Esta es el ´ area donde los ´atomos se escapan hacia el espacio. 7

1.6.2.

Hidr´ osfera

La Tierra contiene alrededor de 1,63·1015 [L] de agua, ya sea en sus estado s´olido, l´ıquido o gaseoso. El 96,5 % del total se encuentra en los oc´eanos. Aproximadamente un 1,7 % se acumula en los casquetes polares, glaciares y en las nieves eternas de las monta˜ nas. Otro 1,7 % se acumula en r´ıos, lagos, esteros, suelos y napas subterr´aneas, mientras que un 0,001 % se encuentra como vapor de agua en la Atm´ osfera. La cantidad de agua sobre la Tierra se considera constante y en perpetua circulaci´on por los diversos estados f´ısicos, en el proceso denominado Ciclo del Agua.

1.7.

Contaminaci´ on

La contaminaci´ on es la alteraci´ on nociva de las condiciones normales de cualquier medio por la presencia de agentes f´ısicos, qu´ımicos o biol´ ogicos, ajenos al mismo. Actualmente la contaminaci´on del aire, el agua y los suelos, producto de las actividades humanas, afectan a todo el planeta y determinan fen´ omenos como los que a continuaci´ on se presentan: 1.7.1.

Lluvia ´ acida

Fen´omeno que se produce por la combinaci´on de los ´oxidos de nitr´ogeno y azufre provenientes de las actividades humanas, con el vapor de agua presente en la Atm´osfera, los cuales se precipitan posteriormente a la Tierra acidificando los suelos, lo que produce la contaminaci´on y destrucci´on de estos. 1.7.2.

Adelgazamiento de la capa de ozono

El ozono forma una capa en la Atm´ osfera que filtra la radiaci´on ultravioleta procedente del Sol que es nociva para los seres vivos. El adelgazamiento de la capa de ozono es producido por el uso durante a˜ nos de los CFC (clorofluorocarbonos) en el sistema de refrigeraci´on y aerosoles, sum´andole la emisi´ on de metilcloro por incendios forestales y algunas otras causas naturales como el cloro proveniente de las erupciones volc´ anicas. 1.7.3.

Efecto invernadero

Fen´omeno que evita que la energ´ıa solar recibida constantemente por la Tierra vuelva inmediatamente al espacio, ya que determinados gases como ´oxidos de nitr´ogeno y di´oxido de carbono la retienen, produciendo el calentamiento progresivo del planeta o calentamiento global. La deforestaci´on, ha limitado la capacidad regenerativa de la atm´ osfera para eliminar el di´oxido de carbono, principal responsable del efecto invernadero. Las consecuencias de este fen´omeno son la destrucci´on del ecosistema, el derretimiento de los glaciares, inundaciones, sequ´ıas y desertizaci´on. La atm´osfera de Venus es una advertencia de lo que podr´ıa pasar en la Tierra si por los reiterados trastornos ecol´ogicos continuara aumentando la temperatura global. El derretimiento y evaporaci´ on de las aguas producir´ıa un efecto invernadero mayor, por la mayor cantidad de vapor en la atm´osfera, originando sequ´ıas y temperaturas en alza. Si por el contrario, un exceso de precipitaciones limpiara la atm´osfera del vapor de agua, se producir´ıa un descenso global de las temperaturas, originando una nueva edad glacial.

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Bibliograf´ıa ´ n Media, Cuarta edici´ [1 ] F´ısica 1◦ Educacio on, Santillana (2009) Mario Toro Frederick, Rodrigo Marchant Ramirez, Mauricio Aguilar Baeza. [2 ] F´ısica Tomos I y II, Tercera edici´ on, Mc Graw-Hill. M´exico (1992) Raymond A. Serway. ´ n, F´ısica, Chile (2007) [3 ] Ciencias Plan Comu Direcci´ on acad´emica CEPECH. [4 ] F´ısica General, Tercera edici´ on, Harla. M´exico (1981) Beatr´ız Alvarenga, Antˆ onio M´ aximo. [5 ] F´ısica Conceptual, Novena edici´ on, Pearson Educaci´on. M´exico (2004) Paul Hewitt. ´ nea, Primera edici´ [6 ] Astronom´ıa Contempora on, Ediciones B, Chile (2009) Jos´e Maza. ´ n a la F´ısica, S´eptima edici´ [7 ] Introduccio on, Editorial Kapelusz, Argentina (1958) Alberto Maiztegui, Jorge Sabato.

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