Ciencias de la Tierra

Relevancia

Las Ciencias de la Tierra constituyen una herramienta para planear una explotación racional de los recursos naturales, comprender las causas que originan los fenómenos naturales que afectan al ser humano y cómo el ser humano influye en la naturaleza con sus acciones.

Por otro lado, las ciencias de la Tierra nos permiten entender los procesos naturales que han favorecido y/o amenazado la vida del hombre, y su estudio está ligado tanto al estudio de los flujos de energía en la naturaleza y al aprovechamiento de los mismos, como a la prevención de riesgos medioambientales, sísmicos, meteorológicos y volcánicos, entre otros.

El planeta Tierra


	Fotografía tomada por los tripulantes del Apolo 17 en Diciembre de 1972, mientras viajaban hacia la Luna. La masa rojiza es África y la Península Arábica. Lo blanco son nubes y parte de la cubierta de hielo que recubre la Antártica. (NASA/JPL) La Tierra es uno de los planetas que forma parte del sistema solar, como todo planeta, es un astro sin luz propia que recibe la energía del Sol.
Origen del planeta tierra: Se estima que el nacimiento de la Tierra se produjo hace unos 4.600 millones de años, conjuntamente con la formación de todo el sistema solar. Las teorías indican que los planetoides, definidos como masas de unos pocos kilómetros de diámetro, fueron chocando entre sí hasta formar, después de unos cientos de millones de años, un planeta del tamaño actual. L a corteza de la Tierra comenzó a consolidarse y las erupciones de los volcanes empezaron a formar la atmósfera, el vapor de agua y los océanos.
	El origen de la vida: El progresivo enfriamiento del agua y de la atmósfera durante decenas de millones de años, permitió el nacimiento de la vida. S e estima que hace al menos 3.600 millones de años aparecieron los primeros seres vivos en el mar, en forma de bacterias y algas. Posteriormente, aparecieron organismos capaces de hacer fotosíntesis y comenzaron a producir el oxígeno que se liberaba a la atmósfera. El largo proceso de evolución biológica, hizo posibles los seres que hoy se conocen.
El planeta Tierra es una esfera ligeramente achatada en los polos con una superficie de unos 510 millones de kilómetros cuadrados, la longitud de su radio oscila entre 6.357 km. (radio polar) y 6.378 km. (radio ecuatorial). Los movimientos de la Tierra y la Luna con respecto al sol, marcan la alternancia del día y la noche, al igual que la sucesión de las estaciones y las mareas. El movimiento de rotación es responsable de la repetición regular del día y la noche. a) Movimiento de rotación: Es el movimiento que realiza la Tierra sobre sí misma alrededor de un eje de rotación imaginario que pasa por los polos. La rotación terrestre es de oeste a este y tarda 24 horas en dar una vuelta completa, este movimiento marca el día sideral y es uno de los factores responsables del clima y por lo tanto las estaciones. b) Movimiento de traslación: Es el recorrido en forma de elipse casi circular (orbita) que realiza la Tierra alrededor del Sol. El Sol se encuentra prácticamente en el centro de la elipse, el plano que la contiene se denomina plano de la eclíptica. La Tierra tarda 365,242 días para dar una vuelta completa alrededor del Sol. Los movimientos de rotación y traslación terrestres son responsables de los cambios climáticos y estaciones las cuales presentan rasgos particulares según la altitud y coordenadas terrestres.
Las estaciones son consecuencia del eje de rotación de la Tierra, ya que éste no es perpendicular respecto al plano de la eclíptica, sino que tiene una inclinación de 23º 27'. En el Solsticio de Verano, 21 ó 22 de junio, el Hemisferio Norte se inclina hacia el Sol. Los días son más largos que las noches y los rayos del Sol inciden de forma más perpendicular, al situarse el Sol en la vertical del Trópico de Cáncer, iniciándose en este hemisferio la estación más calurosa, el verano. Sin embargo en el Hemisferio Sur se produce la situación contraria, iniciándose entonces el invierno.	Estaciones de la Tierra
En el Equinocio de Primavera, 20 ó 21 de marzo, los días y las noches tienen igual duración en todo el planeta, al situarse de nuevo el Sol en la vertical del Ecuador, comenzando la primavera en el Hemisferio Norte y el otoño en el Hemisferio Sur.
Otra consecuencia del movimiento de traslación de la Tierra alrededor del Sol es la división del planeta en grandes zonas térmicas y climáticas, la zona intertropical que es cálida, dos zonas templadas en las latitudes medias de ambos hemisferios y dos zonas frías o polares. Estas diferencias de calor en las zonas térmicas mencionadas se deben la variación en la cantidad e intensidad de radiación solar que llegan a la superficie terrestre, la cual varía según la latitud y las estaciones del año.

Mapas como modelos

Un modelo es una representación simplificada de la realidad en la que aparecen algunas de sus propiedades. El globo terráqueo es la manera más exacta de representar al planeta Tierra, pero es menos práctico que un mapa. Existe una extraordinaria diversidad de mapas, que responden a las necesidades más diversas. El mapa constituye el soporte de la geografía, en esta época en que el ser humano se enfrenta a problemas tales como vencer el hambre, encontrar nuevos recursos energéticos y preservar la naturaleza contra el dominio industrial, la cartografía desempeña un papel decisivo, cuando se desea comparar, escoger o tomar decisiones con respecto a la importancia de una zona o terreno determinado.

Los mapas se utilizan como modelos para representar las diversas características del planeta Tierra. Para realizar los mapas, los cartógrafos utilizan distintos sistemas matemáticos denominados proyecciones, que son redes de meridianos y paralelos dibujadas sobre una superficie plana, para intentar trasladar una realidad esférica a una superficie plana.

El uso de las Escalas: Las escalas permite representar en los mapas, grandes extensiones de tierra en un espacio limitado, ampliando o disminuyendo la superficie respetando sus proporciones. Escala: Se llama escala de un plano o mapa a la proporción que existe entre una distancia cualquiera medida en el mapa y la correspondiente medida sobre el terreno. Así, por ejemplo, la escala numérica 1:50.000 significa que cada centímetro del mapa corresponde a 50.000 centímetros en la realidad. Las escalas 1:100 y 1:500 se reservan para plantas de edificios, 1:500 y 1:2.000 para mapas vecinales y las escalas 1:10.000 y 1:1.000.000 para mapas propiamente dichos.
La escala se puede representar también de forma gráfica, mediante un segmento dividido en partes iguales que permite medir directamente las distancias en el mapa, como si se tratara del propio terreno.
Según la escala se distinguen dos tipos básicos de mapas:
Mapas a gran escala: Hasta 1:100.000, representan con gran detalle la realidad, al representar en una superficie cartográfica relativamente grande una reducida zona de la superficie terrestre. Mapas a pequeña escala: Superiores a 1:100.000, representan zonas muy extensas de la Tierra en superficies cartográficas muy pequeñas. Los mapas pueden ser utilizados para diferentes fines, por lo que se ha desarrollado una gran cantidad de mapas especializados. El tipo de mapa más utilizado para representar áreas del terreno es el mapa topográfico. Dentro de la amplia gama de mapas hay también físicos, políticos, geológicos, temáticos o específicos, cartas de navegación, etc.

Mapa Topográfico

Mapas Topográficos: Representan las formas del relieve en sus tres dimensiones, permiten apreciar el terreno como si se realizara una vista aérea. El aspecto tridimensional se elabora mediante modelos geométricos, tales como: curvas de nivel, colores hipsométricos, o por efectos como el rayado o difuminado, que proporciona la sensación de relieve. Estos mapas muestran elementos naturales del área analizada, y también ciertos elementos artificiales, humanos o culturales como: las carreteras, los pueblos y ciudades, las fronteras y límites de países, municipios, las líneas de ferrocarril, tendidos eléctricos, los ríos, etc.

Mapas físicos: Muestran aspectos de la naturaleza como la variación de la altitud, características del relieve, las redes hidrológicas, los tipos de clima, tipos de vegetación, tipos de suelos y estructura geológica.

Mapas políticos: Los mapas políticos representan la distribución y organización de un territorio en su relación con el hombre: las fronteras, las poblaciones.

Mapas geológicos: Representan la forma interior y exterior de un territorio, los diferentes materiales que componen su suelo, los cambios que éstos han experimentado desde su origen hasta el momento en que se realiza el mapa.

Mapas temáticos: Estos mapas permiten representar la historia de un país o región, ver las redes de comunicación o distinguir rápidamente las similitudes o diferencias entre países o regiones en cuanto a población, producción industrial o agrícola, clima, etc.

Instrumentos necesarios para la elaboración de los mapas: Los teodolitos y los satélites son los instrumentos principales que permiten la elaboración de los mapas y se basan en los principios de triangulación señalados por los cartógrafos europeos que en siglo XIX decidieron cubrir todas las naciones europeas con una red de triangulación.

El principio es sencillo: Conociendo la base de un triángulo y sus dos ángulos, se determinan otros lados por cálculo trigonométrico. Las medidas angulares son efectuadas por medio de un instrumento de mira denominado teodolito, con una precisión de un segundo (3.600” = 1º).

Para disponer de una red de triangulación mundial es imposible utilizar una triangulación terrestre, es por ello que se creo una técnica que permite efectuar mediciones muy precisas a partir de la fotografía de la tierra desde un satélite.

El sistema de triangulación por satélite permite ubicar la posición exacta de un punto. Para ello se proyectan tres puntos en el cielo a través del satélite de referencia.

Radiación solar en el planeta Tierra

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La mayor parte de la energía que llega a nuestro planeta procede del Sol. El Sol emite energía en forma de radiación electromagnética. Estas radiaciones se distinguen por sus diferentes longitudes de onda. Algunas, como las ondas de radio, llegan a tener longitudes de onda de kilómetros, mientras que las más energéticas, como los rayos X o las radiaciones gamma tienen longitudes de onda de milésimas de nanómetro.

La energía que llega al exterior de la atmósfera lo hace en una cantidad fija, llamada constante solar. Esta energía es una mezcla de radiaciones de longitudes de onda entre 200 y 4000 nm, que se distingue entre radiación ultravioleta, luz visible y radiación infrarroja.

a. Radiación ultravioleta
Es la radiación ultravioleta de menor longitud de onda (360 nm), lleva mucha energía e interfiere con los enlaces moleculares. Especialmente las de menos de 300 nm que pueden alterar las moléculas de ADN, muy importantes para la vida. Estas ondas son absorbidas por la parte alta de la atmósfera, especialmente por la capa de ozono.

Es importante protegerse de este tipo de radiación ya que por su acción sobre el ADN está asociada con el cáncer de piel. Sólo las nubes tipo cúmulos de gran desarrollo vertical atenúan éstas radiaciones prácticamente a cero. El resto de las formaciones tales como cirrus, estratos y cúmulos de poco desarrollo vertical no las atenúan, por lo cual es importante la protección aún en días nublados. Es importante tener especial cuidado cuando se desarrollan nubes cúmulos, ya que éstas pueden llegar a actuar como espejos y difusores e incrementar las intensidades de los rayos ultravioleta y por consiguiente el riesgo solar. Algunas nubes tenues pueden tener el efecto de lupa.

b. Luz visible
La radiación correspondiente a la zona visible cuya longitud de onda está entre 360 nm (violeta) y 760 nm (rojo), por la energía que lleva, tiene gran influencia en los seres vivos. La luz visible atraviesa con bastante eficacia la atmósfera limpia, pero cuando hay nubes o masas de polvo parte de ella es absorbida o reflejada.

c. Radiación infrarroja
La radiación infrarroja de más de 760 nm, es la que corresponde a longitudes de onda más largas y lleva poca energía asociada. Su efecto aumenta la agitación de las moléculas, provocando el aumento de la temperatura. El CO₂ , el vapor de agua y las pequeñas gotas de agua que forman las nubes absorben con mucha intensidad las radiaciones infrarrojas.

La atmósfera se desempeña como un filtro ya que mediante sus diferentes capas distribuyen la energía solar para que a la superficie terrestre sólo llegue una pequeña parte de esa energía. La parte externa de la atmósfera absorbe parte de las radiaciones reflejando el resto directamente al espacio exterior, mientras que otras pasarán a la Tierra y luego serán irradiadas. Esto produce el denominado balance térmico, cuyo resultado es el ciclo del equilibrio radiante.

Tabla 1.- Radiación recibida y absorbida por la Tierra

Radiación recibida por la Tierra	Porcentaje (%)	Radiación absorbida por la Tierra	Porcentaje (%)
directa a la Tierra	26%	por la atmósfera	16%
indirecta a la Tierra.	11%	por las nubes.	2%
difusa a la Tierra.	14%	por ozono y otros gases.	1%
pérdida de radiación por reflexión.	4%
Total de radiación	47%		19%

Tabla 2.- Energía Solar reflejada

Energía Solar reflejada	Porcentaje (%)
Radiación reflejada por los materiales terrestres (Indirectamente)	10%
Radiación reflejada por las nubes (directamente)	24%
Total	34%

En los cuadros anteriores (Tabla 1 y 2), se observa como se distribuye el 100% de la energía proveniente del sol, un 34% (ver tabla 2) regresa al espacio exterior, de forma directa (24%) o indirecta (10%). Un 19% de la energía es absorbida por la atmósfera, mientras que la Tierra recibe un 47% ambas serán regresadas al espacio exterior (ver Tabla 1). Esta distribución de la energía hace posible el balance energético en la Tierra.

Según el tipo de radiación se conoce que de los 324 W .m ^-2 que llegan a la Tierra, en la parte alta de la atmósfera (1400 W.m ^-2 es la constante solar); 236 W.m ^-2 son reemitidos al espacio en forma de radiación infrarroja, 86 W.m ^-2 son reflejados por las nubes y 20 W.m ^-2 son reflejados por el suelo en forma de radiaciones de onda corta. Pero el reenvío de energía no se hace directamente, sino que parte de la energía reemitida es absorbida por la atmósfera y devuelta a la superficie, originándose el "efecto invernadero".

Comportamiento de la atmósfera y el suelo frente a la radiación: La atmósfera terrestre está compuesta por numerosas partículas de materia, presenta unos 1000 km. de altura y se divide en diferentes capas concéntricas:

Troposfera: Es la zona inferior de la atmósfera que se extiende desde el nivel del mar hasta unos 16 Km. Es una capa muy densa, en ella se encuentran más de las ¾ partes del aire de la atmósfera, además contiene mucho vapor de agua condensado en forma de nubes, y gran cantidad de polvo. A ella llegan la luz visible y los rayos UV que logran atravesar el resto de las capas de la atmósfera.

Estratosfera: Tiene un espesor aproximado de 60 Km. y se encuentra por encima de la troposfera. Es una capa tenue donde los vapores de agua y polvo disminuyen bastante con relación a los encontrados en la troposfera. En esta zona es abundante la concentración de anhídrido carbónico (CO₂) que tiene la propiedad de evitar el paso de las irradiaciones a la Tierra.

Hacia el medio de la estratosfera se encuentra una capa de unos 15 km. de espesor con abundante ozono, que algunos autores denominan ozonosfera, es la capa que absorbe casi toda la radiación ultravioleta proveniente del Sol. El ozono, O₃, absorbe con gran eficacia las radiaciones comprendidas entre 200 y 330 nm, por lo que la radiación ultravioleta de menos de 300 nm que llega a la superficie de la Tierra es insignificante.

Mesosfera: Presenta alrededor de unos 20 km. de espesor. Sus capas superiores presentan abundantes concentraciones de sodio. La temperatura en esta capa se encuentra entre -70 y 90 ºC. En ella se encuentra la capa D, que tiene la propiedad de reflejar las ondas largas de radio durante el día y desaparece durante la noche. Esta es la causa por la cual las ondas medias son interrumpidas durante el día y puedan reanudarse una vez que se pone el Sol. Al desaparecer la capa D, permite seguir el paso de las otras ondas hacia las capas superiores.

Ionosfera: Es una zona parcialmente ionizada de radiaciones solares, de gran conductividad eléctrica. En esta capa se reflejan hacia la tierra las ondas de radio, por lo que es de gran utilidad en las telecomunicaciones.

Exosfera: Es la última capa de la atmósfera. Se estima que presenta un espesor de 2.500 km., esta conformada principalmente por helio.

Tipo de energía absorbida
a. Energía absorbida por la atmósfera: En unas condiciones óptimas con un día perfectamente claro y con los rayos del Sol cayendo casi perpendiculares, las tres cuartas partes de la energía que llega del exterior alcanza la superficie. Casi toda la radiación ultravioleta y gran parte de la infrarroja son absorbidas por la atmósfera. La energía que llega al nivel del mar suele ser radiación infrarroja un 49%, luz visible un 42% y radiación ultravioleta un 9%. En un día nublado se absorbe un porcentaje mucho más alto de energía, especialmente en la zona del infrarrojo.

b. Energía absorbida por la vegetación: La vegetación absorbe en todo el espectro, pero especialmente en la zona del visible, aprovechando esa energía para la fotosíntesis.

Balance total de energía - Efecto "invernadero"
La temperatura media en la Tierra se mantiene prácticamente constante en unos 15ºC, pero la que se calcula que tendría, si no existiera la atmósfera, sería de unos -18ºC. Esta diferencia de 33ºC tan beneficiosa para la vida en el planeta se debe al efecto invernadero. El motivo por el que la temperatura se mantiene constante es porque la Tierra devuelve al espacio la misma cantidad de energía que recibe. Si la energía devuelta fuera algo menor que la recibida se iría calentando paulatinamente y si devolviera más se iría enfriando.

Por tanto la explicación del efecto invernadero no está en que parte de la energía recibida por la Tierra se quede definitivamente en el planeta. La explicación está en que se retrasa su devolución porque, aunque la cantidad de energía retornada es igual a la recibida, el tipo de energía que se retorna es distinto. Mientras que la energía recibida es una mezcla de radiación ultravioleta, visible e infrarroja, la energía que devuelve la Tierra es fundamentalmente infrarroja y algo de visible.

Las radiaciones que llegan del sol vienen de un cuerpo que está a 6.000ºC, pero las radiaciones que la superficie devuelve tienen la composición de longitudes de onda correspondientes a un cuerpo negro que esté a 15ºC. Por este motivo las radiaciones reflejadas tienen longitudes de onda de menor frecuencia que las recibidas. Están en la zona del infrarrojo y casi todas son absorbida por el CO₂, el vapor de agua, el metano y otros gases, por lo que se forma el efecto invernadero. Así se retrasa la salida de la energía desde la Tierra al espacio y se origina el llamado efecto invernadero que mantiene la temperatura media en unos 15ºC y no en los -18ºC que tendría si no existiera la

Disciplinas

Climatología, estudio del clima terrestre actual y en el pasado geológico.
Geofísica, estudio del planeta desde el punto de vista de la física
Geología, estudia lo referente a las rocas, el subsuelo, terremotos, volcanes y fósiles
Geomorfología, estudia las formas de la superficie terrestre.
Geografía, estudia la relación e interacción de la superficie terrestre con el hombre.
Meteorología, estudio de la atmósfera y el tiempo meteorológico.
Hidrología, estudia de la distribución, espacial y temporal, y las propiedades del agua presente en la atmósfera y en la corteza terrestre.
Oceanografía, estudia las olas, mareas, corrientes, fosas y vida marina.
Ciencia del suelo, estudia el suelo como recurso natural.
Paleontología, estudia los fósiles de plantas y animales.