Sobre el calor de la Tierra y otras cuestiones

Aunque la Tierra se formara inicialmente a partir de materia fría (material cósmico) que se contrajo por acción de la gravedad, durante la formación posterior del núcleo líquido y en los periodos de intensa actividad volcánica se ha liberado una enorme cantidad de calor. Los frecuentes impactos de objetos pesados también han contribuido al calentamiento de la superficie. Hay mucha incertidumbre sobre la historia térmica de la Tierra de los últimos 3.000 millones de años, durante los cuales el planeta se ha ido enfriando y una gran parte de este flujo de calor ha alimentado los movimientos geotectónicos globales, creando nueva corteza en las dorsales oceánicas; un proceso que ha ido acompañado de terremotos recurrentes y erupciones volcánicas de lava, cenizas y agua caliente.

Solamente hay dos posibles fuentes de calor terrestre, pero la importancia relativa de las respectivas contribuciones no está aún muy clara. El calor basal, liberado por un lento enfriamiento del núcleo terrestre debe representar una gran parte del flujo total, si bien cálculos basados en la desintegración radiactiva del U²³⁵, U²³⁸, Th²³² y K⁴⁰ sugieren que éste representa al menos la mitad y quizás hasta nueve décimos del flujo total de calor del planeta. Esta disparidad obedece a la incertidumbre en la concentración de K⁴⁰ en la corteza terrestre. Pero sea cual sea la proporción, el flujo total, basado en miles de medidas realizadas desde los años cincuenta, está próximo a los 40 TW.

Aunque inicialmente se pensó que los flujos continentales y oceánicos eran aproximadamente iguales, en realidad difieren de forma sustancial. Las regiones del fondo oceánico más recientes contribuyen con más de 250 mW/m², cantidad que supera hasta tres veces las zonas continentales más recientes. El flujo medio para todo el fondo marino es aproximadamente igual a 95 mW/m², lo que representa un 70% más que el correspondiente a la corteza continental. El flujo  medio global es de 80 mW/m², unos tres órdenes de magnitud inferior al valor medio del flujo de calor de la radiación solar global.

Llegados a este punto, tengo que respirar. Vayámonos a jugar con lo que realmente me gusta, que es…

Comentar algo de física

Posiblemente, el descubrimiento de las leyes de la mecánica cuántica habría requerido más de un cuarto de siglo se la propia naturaleza no hubiera ayudado “regalándonos” la simplicidad del átomo de hidrógeno. Su espectro tiene la regularidad necesaria que permitió a Bohr empezar a comprenderlo a partir de las embrionarias ideas de Planck y de Einstein (uno con su cuanto de acción, h – la radiación de cuerpo negro -, y el otro con su trabajo inspirado en el anterior, y que versó sobre el efecto fotoeléctrico).

Si el átomo más elemental no constituyera un sencillo sistema “integrable” de dos cuerpos, la complejidad de su espectro hubiera retrasado el progreso hacia la física cuántica. Lo mismo puede decirse de la sencillez del sistema sol-planeta y del descubrimiento de las leyes de Kepler, que facilitaron enormemente el posterior descubrimiento de Newton y de la Ley de la Gravitación Universal, y la génesis de la ciencia moderna.

Por el contrario, la unificación de la mecánica cuántica con la gravitación, uno de los retos científicos fundamentales, no parece, al menos por el momento, que esté agraciada con la misma suerte.

La escala natural en la que la gravedad y la física cuántica se mirarían de igual a igual, viene dada por la longitud de Planck, , pero ésta resulta ser extraordinariamente pequeña, del orden de 10^-33 cm, o en términos de masa-energía, , 10^-5 g aproximadamente, o E_p = M_pc² ≈ 10¹⁹ GeV. Esta masa está muy por encima de las masas de las partículas elementales y la energía muy lejos de las energías que pueden alcanzarse en varias generaciones venideras de los aceleradores.

El efecto físico más importante donde se combina la relatividad general  y la mecánica cuántica es el que descubrió Hawking en 1.974. Los agujeros negros, en la teoría puramente clásica de la relatividad de Einstein, se comportan como objetos que absorben materia pero que no permiten dejar escapar nada de ella más allá del llamado horizonte de sucesos. Pero cuando la materia es tratada según la teoría cuántica, el agujero negro pasa a ser necesariamente emisor de radiación térmica.

Uno de los efectos físicos más importantes que surgen cuando la geometría del espacio se “distorsiona” es el llamado efecto Casimir. En 1.948, Casimir, motivado por el estudio de las fuerzas de Van der Waals, determinó la fuerza por unidad de área que se ejercen dos placas paralelas metálicas separadas por una pequeña distancia d:

Confinamiento de un campo electromagnético en una región del espacio. Los modos del campo están obligados a anularse en los bordes de la región, definidos por las dos placas paralelas conductoras. Esta distorsión de los modos conduce, por comparación con la situación sin placas, a la existencia de una densidad de energía de vacío no nula.

Este efecto es interpretado como una manifestación de la existencia de una densidad de energía de vacío no nula debido al confinamiento del campo entre las dos placas. Aunque los valores promedios del campo sean nulos <Ø>, no ocurre lo mismo con < ز>, y por tanto, con la densidad de energía. Si consideramos por simplicidad un campo escalar sin masa, la densidad de energía de vacío que se obtiene por comparación con la del espacio completo (sin placas) vale:

Para el campo electromagnético, el resultado difiere en un factor 2, que da cuenta de sus dos posibles polarizaciones, y el resultado final conduce a la fuerza por unidad de área dada anteriormente. Experimentos en laboratorios han confirmado de manera significativa el efecto Casimir, a pesar de su pequeña numérica: Fd⁴ ≈ -1’3×10^-27 Nm². Sin embargo, su significación conceptual el extraordinaria.

Kip S. Thorne nos dice que precisamente esa energía “exótica” que se produce de ese vacío entre las placas del efecto Casimir, puede ser utilizada para mantener abiertas las bocas de entrada y salida de los agujeros de gusano.

Fin del comentario. Así podría continuar hasta el final de esta libreta, pero sería incluir un trabajo dentro de otro de distinto origen y cometido, lo que no sería respetuoso con el lector que espera encontrar dentro lo que promete la portada.

La geotectónica

Los grandes accidentes de la superficie terrestre (el fondo marino, los continentes y sus cordilleras) han sido generados por el imparable movimiento de los rígidos bloques de la litosfera. Las grandes placas oceánicas divergen en las crestas dorsales oceánicas, donde surge el magma creando nueva corteza basáltica, que se desliza a lo largo de fallas hasta que finalmente chocan con los bordes continentales donde se hunden en profundas fosas, zonas de subducción, para ser recicladas en el manto. Aunque el recorrido entre la dorsal y la fosa se completa en 10⁷ años, algunas zonas continentales permanecen muy estables, estando cubiertas por rocas cuya edad es casi veinte veces la edad de las más antiguas cortezas marinas, que a su vez, datan de unos doscientos millones de años.

Dondequiera que choquen las relativamente rápidas placas tectónicas oceánicas con las enormes placas continentales, se forman cadenas montañosas en continua elevación. Los ejemplos más espectaculares se subducción y formación montañosa son, respectivamente, la placa del Pacífico sumergiéndose en las profundas fosas del Asia oriental, y el Himalaya, que se eleva por el choque de las placas índica y euroasiática.

En otras zonas de la litosfera, la afloración de rocas calientes del mando debilita inicialmente y agrietan posteriormente la corteza continental, hasta que finalmente, formando nueva corteza oceánica, separan los continentes. Ejemplos de diversos estadios de este proceso son el Mar Rojo, el golfo de Adén y las fracturas del Valle del Rift, en el este de África.

Este proceso de separación continental parece ser bastante regular. Se observan periodos de formación montañosa por compresión en el intervalo de cuatrocientos a quinientos millones de años, a los que sigue, unos cien millones de años más tarde, un resurgir de la rotura. Esta secuencia se repite en un ciclo supercontinental en el que se alterna la separación de grandes zonas continentales con su agrupamiento.

Las plumas de magma que perforan la litosfera también crean focos calientes duraderos que están asociados a los volcanes. Las islas Hawai y la cadena de montañas oceánicas que se extienden desde ellas hasta Kamchatka constituyen la manifestación más espectacular de focos calientes que surgen en medio de la veloz placa del Pacífico, entre los que actualmente se encuentran los ríos continuos de lava del volcán Kilauea y la lenta creación de la futura isla hawaiana de Loihi.

Las enormes plumas de magma que afloran desde las capas profundas del mano han dado origen a grandes superficies de lava, la mayor de las cuales es la meseta oceánica de Ontong Java, que cubre dos millones de kilómetros cuadrados, y la meseta del Decán y la siberiana, que son las mayores formaciones basálticas continentales. La generación de estas extensas formaciones afecta de manera importante a la composición de la atmósfera debido a las grandes emisiones de CO₂ y SO₂ que las acompañan, y que causan elevaciones de la temperatura troposférica y lluvias ácidas, con los consiguientes efectos cruciales en la biota.

Los procesos energéticos de la geotectónica terrestre son complejos. Incluso resulta todavía incierta la contribución relativa de las fuerzas involucradas en el movimiento de las placas tectónicas. Las dos fuerzas más importantes están asociadas a la convección del material caliente del manto y al hundimiento de las zonas frías, con flotabilidad negativa, de la litosfera oceánica en las zonas de subducción. Este último proceso es debido a diferencias de densidad, máxima a una profundidad de doscientos o trescientos kilómetros, que generan un momento de fuerzas en el manto viscoso responsable de la principal fuerza convectiva.

Las velocidades de las placas, al ser estudiadas, se observa que las que cuentan con una mayor proporción de sus bordes en zonas de subducción se mueven a velocidades de 60 a 90 kilómetros por millón de años, mientras que la velocidad de las placas en las que no hay hundimiento de bloques es inferior a 40 kilómetros por millón de años.

Sin embargo, la contribución de la emisión de material del manto no es despreciable, ya que la considerable energía potencial gravitatoria de extensas zonas de rocas calientes hace que se genere nueva corteza marina en las dorsales oceánicas con una velocidad que es, al menos, tres veces superior a la velocidad con que se genera en los planos abisales.

La combinación de ese “tirar” a lo largo de las zonas de subducción y de “empujar” en las dorsales da lugar a velocidades, para las placas más rápidas, de aproximadamente 20 cm/año durante cortos periodos de tiempo. Entre estas placas que se mueven rápidamente se encuentran no sólo los pequeños bloques como Nazca y Cocos, sino también la enorme placa del Pacífico, lo cual indica que la fuerza de arrastre del manto, proporcional al área y a la velocidad, debe ser relativamente pequeña.

La mayor parte del flujo de calor que se ha medido en la Tierra debe atribuirse a la formación de nueva litosfera oceánica.

Ahora, antes de continuar con un comentario sobre los terremotos, descanso un par de páginas para hablar de…

Física

Habitualmente aceptamos que la física es la ciencia que estudia la estructura y propiedades de la materia y la energía, las formas de existencia de las mismas en el espacio y el tiempo, así como las leyes de rigen sus interacciones. En este definición no hay limitaciones precisas entre la naturaleza viviente e inanimada, y aunque ello no implica la reducción de todas las ciencias a la física, se deduce que las bases teóricas finales de cualquier dominio de las ciencias naturales tienen una naturaleza física. También se acepta que la biología es la ciencia que trata sobre la naturaleza viviente, incluyendo los aspectos morfológicos, fisiológicos y moleculares. Al ser ésta mucho más compleja que la inerte, la metodología utilizada para establecer los fundamentos de los fenómenos biológicos y sus leyes es, en general, bastante diferente a la utilizada para el estudio de los fenómenos físicos. Podríamos decir que la física biológica, o biofísica, es la física de los procesos biológicos estudiados a todos los niveles, comenzando por las moléculas y las células y terminando por la biosfera en su conjunto.

Todo esto de la física y la biología, materia viva y materia inerte, necesita de un estudio muy profundo. He pensado mucho en ello y, particularmente (algunos dirán que estoy loco), pienso que la materia es sólo una, que se nos presenta en distintas formas, unas más evolucionadas y más complejas que otras; unas en fase inerte y otras en su fase más avanzada: viva.

Físicos como Hermann von Helmholtz en  1.850, midió la velocidad de propagación del impulso nervioso, y James Clark Maxwell, sobre 1.857, presentó la teoría de la visión en colores.

Podríamos hablar de materia, de luz, de electromagnetismo, y acaso, ¿no son todas esas cuestiones distintos aspectos y variantes de la misma cosa?

Prote viene a significar “primero”; de ahí viene el nombre de protón, que según sea el número en que esté presente, compondrá una clase de materia u otra. Un protón será hidrógeno, y noventa y dos será uranio. Dos elementos distintos pero en realidad hechos por la misma partícula compleja. Al final, todo está hecho de quarks y electrones. Nosotros somos toda la materia del universo también. Claro que, hablar de los seres vivos como simple materia es una temeridad. Esa materia viva evolucionada y muy compleja ha necesitado miles de millones de años para formarse en el corazón de las estrellas, y cuando ha podido surgir tras un largo y tortuoso proceso que le ha llevado a un estado de consciencia, allí había aparecido una materia nueva que estaba acompañada de un ente pensante que la hacía sentir el dolor y el placer, el frío y el calor; el primitivo estado “inerte” ya no estaba.

Está claro que la física que conocemos actualmente es insuficiente para resolver los problemas biológicos, o para fundamentar la biología teórica. La nueva biología necesita, y está a la espera, de una física que aún no está descubierta. De hecho, en la historia de la ciencia hubo situaciones en las que las teorías anteriormente elaboradas se desmoronaban al colisionar con la realidad en sus límites de aplicación, y fue necesario construir un marco conceptual distinto. Así ocurrió con la geometría de Riemann que mandó al paro la de Euclides, que reinó durante dos mil años; así pasó con los conceptos nuevos de Maxwell-Faraday y así pasó con la revolución de Einstein con su relatividad en las dos versiones. En todos los casos mencionados, los conceptos anteriores se fueron al traste y se comenzó un camino nuevo y sorprendente. No digamos de la revolución de Planck y su cuanto de acción (h), que nos trajo la mecánica cuántica.

Nos queda un buen camino por recorrer. En la naturaleza y en los demás sistemas que la integran, buena parte de los procesos que ocurren son intrínsecamente discretos, es decir, involucran (o podrían modelarse con) conjunto discretos de partículas o individuos que interaccionan entre sí de una determinada manera. Átomos, moléculas, proteínas, bacterias, células, animales, personas, o incluso los factores del clima, son ejemplos de agentes activos en estos procesos, que cuando se juntan en un número lo bastante grande, dan lugar a la formación de cosas o cuestiones complejas de grandes dimensiones (galaxias o sociedades humanas, por ejemplo), que dan lugar a comportamientos colectivos que en nada nos recuerdan las interacciones microscópicas individuales.

Siempre tengo en mi mente que todo lo grande está hecho de cosas pequeñas; sino, ¿qué es la felicidad? La felicidad no es otra cosa que esos pequeños momentos en que las cosas sencillas colman nuestros deseos: ayudar al ser amado, tener cogida su mano, una buena lectura, oír la música que te transporta a un lugar mágico, degustar una sencilla comida casera hecha con amor, en triunfo de un hijo, el fracaso de los malvados, un vaso de agua en el desierto, una caricia… todo eso es la felicidad.

emilio silvera

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