El origen del planeta tierra el origen del universo




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fecha de publicación12.08.2016
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EL ORIGEN DEL PLANETA TIERRA



  1. EL ORIGEN DEL UNIVERSO


Se calcula que el Universo se originó hace unos 13.700 millones de años (M. a.) debido a una Gran Explosión denominada Big Bang. Esto fue el origen del espacio y del tiempo. Toda la materia y energía se encontraban concentradas en un mismo punto, en el denominado átomo primigenio o huevo cósmico que debido a la inestabilidad terminó explotando. Al explotar, la energía se fue transformando en materia (teoría de la relatividad). Desde entonces, el espacio que forma el Universo se expande impulsado por aquella explosión y posiblemente también por una misteriosa fuerza expansiva, denominada energía oscura (un70%). Tras la explosión se empezaron a formar los núcleos de átomos de hidrógeno y helio. A medida que el universo aumentaba su volumen, disminuía su temperatura y los fragmentos del átomo primigenio diseminados en todas las direcciones se fueron condensando y formando nebulosas, galaxias, estrellas, planetas y el resto de estructuras astronómicas. En el Universo todo esta movido por dos fuerzas, la de la gravedad que tiende a comprimir la materia y la misteriosa fuerza de expansión.

El universo presenta billones de estrellas que se organizan en cúmulos (abiertos o globulares), estos a su vez, se asocian formando galaxias. Las galaxias, que pueden tener diferentes formas, se asocian en cúmulos de galaxias.

La cosmología moderna (cosmología es la ciencia que estudia la estructura y el origen del universo) comenzó en la primera mitad del siglo XX cuando Edwin Hubble estudiaba la estructura del cosmos con un telescopio de 250 cm y Albert Einstein explicaba de forma teórica las observaciones de Hubble con su teoría de la relatividad.

Hubble observó en 1924 que casi todas las galaxias se alejan de nosotros, tanto más rápido cuanto más lejos están. El universo, está por tanto en expansión.
  1. EL ORIGEN DEL SISTEMA SOLAR


Para explicar el origen del Sistema solar ha sido necesaria una gran variedad de teorías que pudiesen explicar las características que este tiene:

  • Una estrella central. El Sol y los planetas que giran en el mismo sentido.

  • Los planetas giran describiendo órbitas casi circulares en el mismo plano. Los satélites hacen lo mismo respecto a sus planetas.

  • El movimiento de rotación de casi todos los planetas se produce en el mismo sentido que el de traslación.

  • Planetas interiores terrestres son más pequeños y más densos y planetas exteriores gaseosos son mayores.

  • El Sol, con el 98% de la masa, solo contiene el 2% del momento angular; Júpiter, con menos del 0,2% de masa, contiene el 60% y Saturno, el 25% del momento.

  • Las sustancias más densas aparecen hacia el interior de los planetas.

  • Los cuerpos planetarios presentan huellas de impactos de meteoritos.

  • La edad estimada de desintegración radiactiva de la Tierra, la Luna, los asteroides y los demás planetas es de unos 5000 millones de años.

La teoría más aceptada actualmente es la teoría de los planetesimales (Weizsäcker y Kuiper), pero existieron otras como la teoría de las mareas, la de la estrella binaria, la nebular, la de las turbulencias, etc.

Esta teoría propone que los acontecimientos que llevaron a la formación del sistema solar se resumen en las siguientes etapas:

  1. (Colapso gravitatorio) Una nebulosa empezó a comprimirse por efecto de la gravedad, se dedujo el tamaño de la nube y aumentó su densidad. Por ello empezó un movimiento rotatorio.

  2. (Nebulosa-crisálida) La nube densa se aplanó como un gran disco con una protuberancia central. Esta masa con gran presión y temperatura dieron comienzo las reacciones de fusión. Apareció el Sol compuesto principalmente por hidrógeno, helio y silicatos.

Mientras la nebulosa crisálida se va enfriando y condensando, el Sol se individualizó cada vez más y las partículas de menor tamaño empezaron a condensarse en diversas órbitas, formando cuerpos sólidos cada vez mayores: los llamados planetesimales.

  1. (Acreción colisional) Los planetesimales fueron creciendo debido al choque entre ellos mismos y como consecuencia de ello se produjo una fuerza capaz de atraer otros cuerpos (acreción gravitacional). Esta fase de crecimiento progresivo dio lugar a la diferenciación geoquímica de los planetas. El Sol atrajo a los diferentes cuerpos planetarios quedando los planetas terrestre o menores más cercanos por ser más densos y los planetas gaseosos o mayores más lejanos por ser menos densos.
  1. LA FORMACIÓN DEL PLANETA


Como consecuencia de la diferenciación gravitatoria, los elementos más densos, como el hierro y otros metales, caerían hacia el interior, mientras que los menos densos, como los silicatos, se concentrarían en las partes más externas del planeta. De este modo se originaron las tres partes en que está estructurada internamente la Tierra y otros cuerpos planetarios: núcleo (Hierro y niquel), manto (Silicatos de hierro y magnesio) y corteza (Silicatos de aluminio).

En cuanto a los gases se condensarían pasando a formar la atmósfera primitiva, muy diferente a la actual. Por último, la condensación del vapor de agua dio origen a copiosas lluvias que formarían la hidrosfera.

El papel de los seres vivos en la evolución planetaria fue importante. Su aparición y desarrollo genera un nuevo sistema terrestre, el de la vida o biosfera, que en interacción con las antiguas capas genera la progresiva modificación y composición de cada una de ellas. Los procesos importantes que producen interacciones son:

-La fotosíntesis que produce el enriquecimiento en oxígeno libre y la disminución del dióxido de carbono atmosférico.

-La génesis de los suelos, soporte de la vida, en que confluyen los cuatro sistemas, aire, agua, tierra y seres vivos.

-La formación de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) a partir de la acumulación de materia orgánica en condiciones especiales. Estas rocas constituyen reservorios de carbono que, al ser devuelto masivamente a la atmósfera por procesos de combustión, altera la composición y por tanto el equilibrio de la misma (incremento del efecto invernadero).

-La actividad microbiana, que provoca la precipitación de carbonatos disueltos en el agua del mar, favoreciendo la génesis de grandes cantidades de rocas calizas así como la formación de esqueletos calcáreos y bioconstrucciones, especialmente las grandes masas de arrecifes de coral y los estromatolitos.
  1. METODOS DE ESTUDIO DEL INTERIOR DEL PLANETA Y SU ESTRUCTURA.



    1. Métodos de estudio directo


Consiste en la observación directa de los materiales que componen nuestro planeta o de algunas de sus propiedades físicas.

Por ejemplo la realización de sondeos, el análisis de materiales expulsados por los volcanes, la cantidad de dióxido de carbono obtenido al disolver una roca caliza. Proporcionan datos comparables (información que puede ser tomada repetidamente por diferentes agentes para comparar errores o fraudes) y para aplicarlos el material debe ser accesible y manipulable.

Existen diferentes proyectos de sondeos de investigación como el DSDP, el IPOD o el IODP. Si te interesa saber más sobre ellos puedes realizar un trabajo para la asignatura que te ayudará a subir la nota. Entregar el día del siguiente examen.
    1. Métodos de estudio indirecto


Existen diversos métodos indirectos. Algunos ya los hemos estudiados como la medición de isótopos o dataciones radiométricas. Otros los estudiaremos a continuación.

      1. MÉTODOS SÍSMICOS

Se basa en el estudio de la propagación de las ondas sísmicas de los terremotos.

Los terremotos son vibraciones producidas por la liberación brusca de la energía acumulada en las rocas que, sometidas a esfuerzos, superan el límite de elasticidad y se rompen de forma súbita. Los deslizamientos de la corteza tienen lugar en las superficies de fractura (planos de falla) de grandes fallas que suelen estar asociadas con los bordes de las placas litosféricas. Las ondas sísmicas se originan en el foco profundo o hipocentro, localizado en el plano de falla en la zona donde se inicia el desplazamiento. En la vertical del hipocentro se encuentra el foco superficial o epicentro, donde se producen las ondas superficiales.

En el hipocentro se originan dos tipos de ondas que son registradas en los sismogramas. (P y S)

Una onda sísmica son vibraciones que se producen en los materiales a partir de una zona denominada foco. Penetran hacia el interior de la tierra, o parten de un punto del interior de la tierra y llegan a la superficie. El estudio de su trayectoria indica los materiales o rocas que se van encontrando.

Tipos de ondas sísmicas:

ONDAS P o longitudinales.

Se transmiten como el sonido y se propagación depende de la compresibilidad del medio. Se transmitirán por todos los medios. Pero recorre a más velocidad el medio sólido pues es más rígido que el líquido y gaseoso. Cuando cambian de un material a otro sufren deceleraciones o aceleraciones, así como refracciones. Son las primeras en detectarse en los sismógrafos. Se mueven con el movimiento de un muelle que está estirándose y comprimiéndose.



ONDA S o transversales:

Su transmisión o propagación se basa en la elasticidad del medio. La elasticidad es la capacidad que tiene un cuerpo de recuperar su forma primitiva cuando cesa la fuerza que lo mantenía tenso. Su movimiento es semejante al de una cuerda que agitamos.

Sólo son plásticos los medios sólidos, luego estas ondas no transmiten en medio líquido o gaseoso.



ONDAS L o superficiales:

Son las que se propagan en la superficie y originan los mayores efectos catastróficos. Las hay de diferente tipo Rayleigh y Love.

Analizando los sismogramas y los gráficos de velocidad de las ondas sísmicas según atraviesan las diferentes capas de un planeta, podemos averiguar cuántas capas lo componen y cuál es su estado físico y su rigidez.

Cuando la velocidad de la onda aumenta, aumenta la rigidez del medio.

Cuando se produce un cambio brusco en la velocidad de la onda, existe una discontinuidad que puede ser de primer o segundo grado dependiendo de lo brusco que sea ese cambio en la velocidad de la onda.

Realicemos algunos ejercicios relacionados con todo esto.

      1. MÉTODOS GRAVIMÉTRICOS

Toda la materia, por el hecho de tener masa produce una fuerza de atracción sobre el resto de materia a su alrededor (atracción gravitatoria) ejercida en todas las direcciones del espacio, formando un campo gravitatorio. La fuerza de la gravedad produce una aceleración (g= 9,8 m/s2). La intensidad de la fuerza gravitatoria, es mayor cuanto mayor es la densidad del objeto.

Los materiales que forman la tierra tienen diferentes densidades lo que hace que existan diferencias en la intensidad del campo gravitatorio.

Cuando en una zona el valor de g es algo mayor de lo esperado, se considera que existe una anomalía gravimétrica positiva (materiales con mayor densidad en el subsuelo), si es al revés, se considera una anomalía gravimétrica negativa e indicaría materiales de menor densidad en el subsuelo.

Para conocer la causa de las variaciones de la gravedad de la Tierra debemos recordar la ley de gravitación universal de Newton, según la cual un objeto situado en la superficie de la Tierra, o cerca, es atraído por la fuerza de la gravedad, dirigida hacia el centro del planeta, según la fórmula siguiente:



El valor de la gravedad se mide por la aceleración g (g= GM/d2), cuyo valor medio es de 9,81 m/s2. La unidad de medida de la gravedad en el Sistema Internacional es el gal. El gal equivale a 1 cm/s2 . Para detectar variaciones muy pequeñas de la gravedad se utiliza el miligal: 1 gal= 980 000 miligales (mgal). El valor de la gravedad en un punto se mide con los aparatos denominados gravímetros.

Si la Tierra fuese homogénea y de radio constante, el valor de la gravedad sería igual en todos los puntos de la Tierra. Sin embargo, dicho valor varía debido a la altitud, la latitud, los distintos relieves y la distribución de las masas en el interior de la Tierra.

Se denomina anomalía de la gravedad de un punto a la diferencia entre el valor real de la gravedad gr medida con un gravímetro, y el valor teórico de la gravedad en ese punto g.

Anomalía de la gravedad= greal - gteórica

Se denomina anomalía residual de la gravedad a la producida por las distintas densidades de los materiales. Se sabe que cuanto mayor es la densidad de los materiales en un punto, mayor es el valor de la gravedad en ese punto. Esta anomalía se calcula con la fórmula de la figura siguiente. La greal corregida es la gravedad real a la que se le han eliminado los valores de la anomalía causados por la latitud, la altitud y el relieve.

Anomalía residual de la gravedad = greal corregida - gteórica

A nivel global de la Tierra, se observa que en las montañas, la anomalía residual de la gravedad es marcadamente negativa, es decir que el valor real de la gravedad es inferior al teórico; esto implica que hay materiales de menor densidad.

En los océanos, la anomalía es positiva, es decir, el valor real es superior al valor teórico esperado. La corteza oceánica es más densa que la continental. La densidad de la corteza continental es de 2,7 g/cm3, mientras que la densidad de la corteza oceánica es de 2,9 g/cm3 . La densidad del manto es de 3,3 g/cm3 . Cuando dos placas litosféricas chocan, la que tenga litosfera oceánica siempre se hundirá con respecto a la que tenga corteza continental, ya que se hunde la más densa.

El método gravimétrico ha dado explicación a los ascensos y descensos (subsidencia o hundimiento) que se producen en distintos puntos de la Tierra. Todos estos movimientos no se pueden explicar más que como movimientos isostáticos.

La ISOSTASIA propugna que las anomalías o desequilibrios gravitatorios que hay en la Tierra no pueden existir a partir de una determinada profundidad. Por ello propone la existencia de un nivel de compensación isostático en el interior de la Tierra, que soporta el mismo peso por unidad de área, es decir, la misma presión en cualquier punto de este nivel. Los materiales por encima de este nivel sufrirán movimientos isostáticos de ascenso o descenso, para llegar al equilibrio gravitatorio.

En la figura siguiente se muestra el modelo que simula el equilibrio isostático donde unas piezas de madera (de 0,65 g/cm3 de densidad aproximadamente) están soportadas por el agua ( de densidad 1 g/cm3 ). Los bloques mayores se sumergen a mayor profundidad porque pesan más. En la base tendrían su nivel de compensación isostático. Si se coloca otro bloque pequeño de madera encima de uno de los anteriores, el nuevo bloque combinado se hundirá hasta alcanzar un nuevo equilibrio isostático. Si lo volvemos a quitar, el bloque vuelve a su posición original. Esto es una simplificación de lo que ocurre en los primeros kilómetros de profundidad dela Tierra, para conseguir el equilibrio isostático, es decir, ascensos o descensos de los materiales según el peso que tengan. Los relieves positivos, como las grandes cordilleras, deben tener un reflejo en el interior, unas “raíces”, que alcanzan zonas más profundas en el material que lo soporta por debajo, como muestra la figura.



Por ejemplo la península escandinava se está levantando debido a que se ha fundido el casquete de hielo que la cubría en los últimos periodos glaciares. También por isostasia se explica que las cordilleras recientes, al ir perdiendo materia por erosión, sufran progresivos levantamientos. Éste es el motivo por el cual las raíces de antiguas cordilleras pueden ahora estar en la superficie de la Tierra, aunque originalmente se encontraban a muchos kilómetros de profundidad.



      1. MÉTODOS MAGNÉTICOS



El método magnético es un método indirecto que basa sus estudios en las variaciones del campo magnético terrestre. La Tierra tiene un campo magnético dipolar, con un polo norte magnético y un polo sur magnético. Las líneas de fuerza en la nomenclatura física van del polo norte al polo sur magnético (Ver el imán de la imagen inferior). En nuestro planeta, para hacer coincidir los polos magnéticos con los geográficos, denominamos polo norte magnético a lo que en física llaman polo sur magnético y al revés. Por ello las líneas de fuerza aparentemente van al revés.

El origen del campo magnético terrestre está en el núcleo de la Tierra. La interacción de un núcleo externo fluido donde se generan cargas eléctricas en movimiento, y un núcleo interno sólido, formado por una aleación de hierro y níquel que actúa como un imán, produce un campo magnético por un proceso similar al de una dinamo.



La magnetosfera es la zona atmosférica donde se detecta el campo magnético de la Tierra.

Algunos minerales que contienen átomos de ciertos elementos, como el Fe, son minerales magnéticos. Estos átomos se comportan como pequeños imanes con sus polos magnéticos. Los minerales magnéticos registran el campo magnético de la Tierra existente en el momento de su formación.

El magnetismo remanente de una roca es el que tiene debido al magnetismo de los minerales que contiene. Los elementos magnéticos pierden su magnetización por encima de una temperatura determinada, que se llama punto de Curie. En las rocas esta temperatura está alrededor de los 500ºC. El magnetismo termorremanente es un tipo especial de magnetismo remanente que adquiere una roca cuando se enfría y solidifica por debajo del punto Curie. Cuando una roca fundida se va enfriando, como por ejemplo la lava que sale de una dorsal, comienza la cristalización de sus minerales. Al pasar por el punto Curie, los átomos de hierro de la lava actúan como imanes, y se orientan en la dirección del campo magnético existente en la Tierra en ese momento.

Se denomina paleomagnetismo al magnetismo existente en otras épocas geológicas, y que ha quedado impreso como un magnetismo remanente en algunas rocas que se estaban formando en aquel momento. Este magnetismo se puede mantener a lo largo del tiempo si no se sobrepasa el punto Curie.

Los magnetómetros son aparatos que miden el magnetismo de las rocas.

El campo magnético de la tierra ha sufrido cambios a lo largo de la historia del planeta. Actualmente el polo norte magnético (polo negativo) se encuentra cerca del polo norte geográfico, y el polo sur magnético (polo positivo) cerca del polo sur geográfico. El flujo magnético ha cambiado de sentido repetidamente a lo largo del tiempo geológico. Es decir, el polo norte magnético estaba en la posición opuesta a la actual. Estas variaciones de polaridad se denominan inversiones del campo magnético.

Se dice que el campo magnético es normal cuando muestra una disposición de los polos igual a la actual, y que es inverso cuando muestra una disposición de los polos con la posición inversa a la actual. Una brújula, en un momento del pasado con campo magnético inverso, indicaría el polo norte donde hoy está el sur.

El estudio del magnetismo de la Tierra y del magnetismo remanente de las rocas ha permitido hacer interpretaciones importantes en geología, como por ejemplo la confirmación de la hipótesis de la expansión de los fondos oceánicos. Esta hipótesis postula que en las dorsales se forma litosfera oceánica a partir del magma procedente del manto. Este magma se incorpora a ambos lados de la dorsal, formándose nuevo suelo oceánico, que empuja a los materiales más antiguos, produciéndose así la expansión de fondos oceánicos.

El estudio de los cambios de la polaridad magnética, es decir, el estudio de las inversiones del campo magnético de la Tierra, permitió confirmar esta hipótesis según el siguiente razonamiento: La lava que solidifica al salir de la dorsal queda magnetizada según el campo magnético existente en la tierra en ese momento.

A lo largo de la historia del planeta ha habido inversiones del campo magnético, que han tenido que quedar registradas en las lavas que en el pasado salían por la dorsal. Por tanto, deberían observarse bandas con magnetismo normal e inverso, alterno y simétrico a ambos lados de la dorsal. Estas bandas deberían tener la misma edad. Estudios de magnetismo de las rocas del fondo oceánico, junto con medidas de la edad, han permitido confirmar esta hipótesis, uno de los pilares en los que se fundamenta la teoría de la tectónica de placas.





      1. MÉTODOS GEOTÉRMICOS

La tierra almacena en su interior gran cantidad de energía calorífica, tal como se manifiesta por ejemplo, en las erupciones volcánicas. El método térmico utiliza las variaciones de flujo térmico de la Tierra para formular hipótesis sobre la estructura y composición de su interior.

Se denomina flujo térmico al calor que desprende la tierra por unidad de superficie y que procede del interior de esta.

El flujo térmico de la Tierra es de 1,4 HFU (Heat Flow Units en sus siglas inglesas)

1 HFU = 10-6 cal/cm2 s…. En el Sistema Internacional 61 m . W. m-2

El flujo térmico varía a lo largo de la superficie de la Tierra con respecto a este valor promedio, es decir, el flujo térmico presenta anomalías.

Hay anomalías térmicas positivas cuando el flujo térmico es superior al flujo térmico medio. Algunas zonas con anomalías positivas se localizan en las dorsales, en las cordilleras recientes y en los llamados puntos calientes de la Tierra.

Hay anomalías térmicas negativas cuando el flujo térmico es inferior al flujo térmico medio. Las zonas con anomalías térmicas negativas se encuentran en las zonas continentales más antiguas y en las fosas oceánicas.

El calor interno de la Tierra tiene dos orígenes diferentes. Por un lado está el calor primigenio, o calor que se conserva en el núcleo de la Tierra de las etapas iniciales de su formación. Por otro lado, está el calor radiactivo, que es el calor generado en la desintegración de elementos como el uranio 235, uranio 238, torio 232 o potasio 40, en distintos puntos del interior de la Tierra. El calor primigenio y el calor radiactivo son los combustibles de la gran máquina de la Tierra.

El calor se transfiere de tres formas en el interior de la Tierra. Por convección, por conducción y por radiación. La transferencia de calor por convección es el proceso más eficaz en el manto y en el núcleo, y transmite el calor primigenio hasta la superficie. En este proceso, la energía térmica se transforma en mecánica, y es la responsable del movimiento de las placas litosféricas. La conducción es el proceso más importante en la corteza y la litosfera. La radiación es el proceso de transferencia de calor que ocurre en puntos del interior de la Tierra con elementos radiactivos.

El gradiente geotérmico es la variación de la temperatura con la profundidad. En las capas externas del planeta, el gradiente geotérmico es de 25 ºC/Km. Este valor no es constante.

La principal aplicación del estudio del flujo geotérmico y de las variaciones de temperatura del interior de la Tierra ha sido explicar el origen del movimiento de las placas litosféricas.

      1. LOS METEORITOS

Los meteoritos son fragmentos de materia extraterrestre que alcanzan la superficie de la Tierra sin que se hayan vaporizado al atravesar la atmósfera. El estudio de los meteoritos revela datos importantes sobre la composición de nuestro planeta.

Hay tres grandes tipos de meteoritos: Los meteoritos rocosos, los metálicos y los metalo-rocosos. Los meteoritos rocosos son el grupo dominante que cae a la Tierra; se subdivide en condritas y acondritas.

Las condritas son meteoritos rocosos no diferenciados. Su composición es la composición química media de la Tierra (corteza, manto y núcleo mezclados). Están formadas por silicatos mezclados de hierro y níquel. Las condritas presentan unas estructuras esféricas que se denominan cóndrulos, de ahí su nombre.

Las acondritas son meteoritos rocosos diferenciados porque provienen de cuerpos planetarios que han tenido esta fase en su formación. Están formados por silicatos. No presentan cóndrulos. Estos meteoritos contienen la evidencia de los cambios que sufrieron los cuerpos de los que ellos fueron arrancados, presumiblemente por impactos. La mayoría proviene del cinturón de asteroides, aunque algunos vienen de la Luna y de Marte. Se supone que la composición de algunas acondritas es similar a la del manto de la Tierra.

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