La Formación de la Tierra III

Capítulo 3
Características físicas de la Tierra

A la ciencia que estudia la forma de la Tierra la denominamos geodesia. Más en concreto los objetivos esenciales de esta rama de la Geofísica son la determinación de la forma geométrica externa de la Tierra y la determinación de la intensidad y de la dirección del campo gravitatorio terrestre en el mayor número de lugares posibles.

Coordenadas celestes.

Ambos objetivos se complementan, pues, como veremos, la forma de la Tierra depende en parte de su campo gravitatorio.

Posición de la Tierra en la esfera

El conocimiento de la forma de la Tierra y de su campo gravitatorio, son indispensables para elaborar las hipótesis geofísicas sobre el interior del globo terrestre y para realizar cualquier medida precisa en el dominio espacial.

Las primeras hipótesis más o menos fundadas sobre la forma de la Tierra fueron expuestas por los filósofos de la Antigüedad (Pitágoras, Ptolomeo, Aristóteles, Arquímedes, etc.), considerando todas que la Tierra era esférica.

El primero en dar una valoración aproximada de las dimensiones terrestres fue Eratóstenes (siglo III a.C.) basando sus cálculos en la medición del grado de meridiano que pasaba por las ciudades de Alejandría y Asuán.

Representación del hemisferio austral en una xilografía de A. Durero (1515).

Para Newton, la forma de nuestro planeta estaba en gran parte determinada por la ley de la gravitación universal y por la mecánica terrestre, especialmente por su movimiento rotacional. Newton dedujo que la Tierra es achatada por los polos debido al movimiento de giro sobre sí misma y al potente campo gravitatorio que crea a su alrededor.

El achatamiento de los polos, o, lo que es lo mismo, la protuberancia ecuatorial, es una consecuencia de la diferente velocidad de los diversos puntos de la Tierra en su movimiento rotacional, velocidad que es máxima en el ecuador (unos 1.600 km/h), disminuyendo a medida que nos acercamos a los polos, en donde es nula.

La gran velocidad de las zonas ecuatoriales determina que aparezcan fuerzas centrífugas intensas que tienden a concentrar la materia originando el abultamiento ecuatorial. El achatamiento terrestre se define como la relación entre la diferencia de los dos radios terrestres (ecuatorial y polar) y el radio ecuatorial.

Representación del hemisferio boreal una xilografía de A. Durero (1515).

Durante los siglos XVIII y XIX se realizaron numerosos trabajos con el fin de conocer con la máxima precisión la forma y dimensiones de la Tierra. A principios del presente siglo se adoptó como superficie de referencia de la Tierra un elipsoide de revolución cuyas medidas principales son:

• radio ecuatorial, 6.378,16 km;
• radio polar, 6.356,91 km;
• radio medio, 6.371 km, y
• achatamiento 1/297.

Actualmente se considera que la forma de la Tierra es la superficie equipotencial de la gravedad, según la cual se disponen las masas que constituyen la superficie terrestre sometidas a la acción de la gravedad; a cada punto de dicha superficie le corresponde una dirección invariable, denominada vertical del lugar, que representa en cualquier caso la dirección de la fuerza de la gravedad.

En una primera aproximación la superficie descrita, denominada geoide, es enormemente parecida a la superficie libre que tienen los océanos y a la prolongación imaginaria de éstos debajo de los continentes.

Conocidos el radio y el achatamiento de la Tierra es fácil calcular la longitud del meridiano terrestre, cuyo valor es de 40.008,548 km, y la del ecuador, de 40.075,704 km. El área de la superficie terrestre presupone 510.083.000 km ² y el volumen del globo terráqueo es de unos 1.083.819.000 km ³ .

Masa y densidad

El cálculo de la masa de la Tierra se realiza mediante la aplicación de la ley de la gravitación universal, existiendo diversos métodos, más o menos precisos, entre los cuales el más utilizado emplea la balanza de torsión.

Según estos cálculos, la masa de la Tierra es de 5,975 x 10 ²¹ toneladas. La densidad media de la Tierra es de 5,5 17 g/cm ³ . En comparación con los restantes planetas, la Tierra es el segundo por orden de densidad decreciente (Mercurio presenta una densidad de 5,9 a 6,1, Venus de 5 a 5,9 y Marte de 3,8), siendo muy superior a la que se ha calculado que poseen los planetas mayores, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.

Teniendo en cuenta el valor medio de la densidad terrestre (5,5) y el de las rocas de las zonas superficiales de la corteza, que raramente supera los 2,8-3 g/cm ³ , es válido suponer que la densidad de los materiales de las zonas internas de la Tierra ha de ser muy elevada. Esta suposición se confirma por los datos sismológicos.

Relación de las principales características físicas de la Tierra.

En efecto, las ondas sísmicas presentan velocidades de propagación que dependen en parte de la densidad de los materiales que atraviesan, siendo tanto más grande dicha velocidad cuanto mayor es la densidad del medio por el que se propagan.
De acuerdo con los datos sismológicos, se ha podido calcular la densidad de los materiales del interior de la Tierra a diversas profundidades.
Así, a unos 700 km de profundidad la densidad será aproximadamente de 4,3, a unos 2.900 km será de 5,5, a unos 5.100 km de 12,3 y a unos 6.300 km, muy cerca del centro, de 13. Para explicar el aumento del valor de la densidad de los materiales en el interior de la Tierra no es suficiente afirmar que es un efecto de las grandes presiones reinantes, ya que en su mayor parte se debe a cambios en la composición de los materiales, que son progresivamente más densos con la profundidad.

Movimientos de la Tierra

La Tierra, como los demás planetas del sistema solar, está sometida a las leyes de la dinámica celeste. Fundamentalmente son dos los movimientos que afectan a la Tierra; la traslación alrededor del Sol, siguiendo una órbita elíptica, y la rotación alrededor del eje de sus polos. Ambos movimientos determinan respectivamente la sucesión de las estaciones y la de los días y las noches.

Estos dos movimientos principales de la Tierra presentan diversas irregularidades conocidas con los nombres de precesión y nutación, debidas a las atracciones perturbadoras que provocan indistintamente el Sol y la Luna sobre la protuberancia ecuatorial terrestre.

Traslación
La Tierra, o más exactamente el centro de gravedad del sistema Tierra-Luna, se mueve alrededor del Sol describiendo una órbita de forma elíptica de escasa excentricidad (es decir, muy próxima a una esfera), en uno de cuyos focos se encuentra aquél. La distancia media de la Tierra al Sol durante dicho movimiento es de unos 149.675.000 km, su velocidad media de unos 29,6 km/seg y el tiempo que tarda en recorrer una órbita completa es un año sideral, es decir, aproximadamente 365,256 días.

Debido a la forma elíptica de la órbita de la Tierra en su movimiento de traslación alrededor del Sol, la distancia entre ambos no es constante, sino que presenta una posición de máximo alejamiento, denominada afelio, que se alcanza a primeros de junio, y una posición de máximo acercamiento, denominada perihelio, que se alcanza a primeros de enero.

Se denomina eclíptica al plano de la órbita terrestre en su movimiento de traslación y también al círculo de intersección de dicho plano con la esfera celeste. Debido al movimiento aparente del Sol alrededor de la Tierra, la eclíptica representa asimismo el camino aparente del Sol entre las estrellas.

El ecuador terrestre y la eclíptica no están contenidos en el mismo plano, sino que forman entre sí un ángulo de 23° 27′. Por tanto, el eje terrestre no será perpendicular a la eclíptica, sino que formará con la normal a la misma un ángulo de 23° 27.

La dirección de la inclinación del eje terrestre respecto a la eclíptica varía, como veremos más adelante, de manera secular. En la actualidad dicha inclinación determina que el polo norte celeste (punto donde la prolongación del eje terrestre corta a la esfera celeste) esté muy cerca de la estrella a de la Osa Menor, debido a lo cual se la denomina Estrella Polar.

El plano del ecuador terrestre y la eclíptica únicamente presentan dos puntos de intersección, que corresponden a los puntos en los que el Sol está en el cenit del ecuador. Dichos puntos se denominan equinoccios y corresponden a la situación de la Tierra el 21 de marzo y el 23 de septiembre. Los puntos de la eclíptica definidos por un diámetro perpendicular a la línea de los equinoccios se denominan solsticios y corresponden a los puntos en los que el Sol presenta una mayor distancia angular respecto al ecuador terrestre.

Arriba, movimiento de traslación de la Tierra alrededor del Sol. Abajo, debido al movimiento de precesión el eje de la Tierra no está fijo sino que se desplaza en el espacio sobre un cono imaginario (cono de precesión). El fenómeno es idéntico al que tiene lugar en una peonza cuyo eje de rotación no coincide con la vertical.

En los solsticios, que se alcanzan el 21 de junio y el 21 de diciembre, el Sol se encuentra en el cenit de los trópicos, círculos paralelos situados a 23° 27′ de latitud norte (trópico de Cáncer) y a 23° 27′ de latitud sur (trópico de Capricornio).

Por consiguiente, las estaciones corresponden a los tiempos que tarda la Tierra en recorrer los arcos de eclíptica determinados por los equinoccios y los solsticios. En cada hemisferio el solsticio de verano (inicio del verano) corresponderá al punto en el cual el Sol se encuentra en el cenit del trópico correspondiente del hemisferio, mientras que el solsticio de invierno (inicio del invierno) corresponderá al punto en el que el Sol está en el cenit del trópico del otro hemisferio. Esto explica la oposición entre las estaciones en los dos hemisferios terrestres. En la actualidad el verano corresponde en el hemisferio sur a la posición de máximo acercamiento de la Tierra al Sol (perihelio), mientras que en el hemisferio norte corresponde a la posición de máximo alejamiento (afelio), lo que determina que el hemisferio sur reciba durante su verano mayor cantidad de radiación solar que el hemisferio norte durante el suyo. Esta situación se invierte secularmente debido al movimiento de precesión como veremos más adelante.

Rotación
La tierra gira alrededor del eje de sus polos en sentido oeste-este (contrario a las agujas del reloj), dando una vuelta completa sobre sí misma en un día sideral, aproximadamente 23 h 56′.

A causa del movimiento rotacional de la Tierra se produce un movimiento aparente de toda la esfera celeste alrededor de un eje que es prolongación del eje terrestre.

Durante mucho tiempo se supuso que en realidad no era la Tierra la que giraba, sino la esfera celeste. Copérnico fue el primero en afirmar que el movimiento real era el de la Tierra, pero no presentó pruebas concluyentes en favor de su hipótesis.

Con posterioridad se han encontrado diversas pruebas que demuestran sin lugar a dudas que es la Tierra la que gira. Entre estas pruebas cabe mencionar el comportamiento del péndulo de Foucault, o la desviación constante que sufren los vientos atmosféricos debido al efecto de la aceleración de Coriolis, característica de los cuerpos en movimiento giratorio.

La forma de la Tierra, como hemos dicho anteriormente, con su característico ensanchamiento ecuatorial, es una consecuencia de ese movimiento rotacional.

El movimiento de rotación de la Tierra determina la sucesión de los días y las noches y fue la base para uno de los más primitivos sistemas de medición del tiempo. Sin embargo, cronométricamente hablando, la Tierra no es muy perfecta, pues su movimiento de rotación no es absolutamente uniforme.

En efecto, el período de rotación de la Tierra es afectado por la acción de frenado de las mareas que tienden a aumentar el período de rotación. Es probable que en un pasado muy remoto de la historia de este planeta, su período de rotación fuera mucho menor que en la actualidad y que, por tanto, las noches y los días se sucedieran con intervalos de unas 10 a 12 horas.

En los últimos doscientos años se han podido comprobar variaciones irregulares en su período de rotación que han sumado unos 30 minutos, primero en el sentido de aumento y después en el de disminución.

Precesión y nutación
Se designa con el nombre de precesión el fenómeno que altera el movimiento rotacional de la Tierra sobre su propio eje y que es debido a las atracciones newtonianas ejercidas por el Sol y la Luna sobre la protuberancia o ensanchamiento ecuatorial terrestre.

Debido a la precesión los dos semiejes terrestres describen sendos conos cuyos vértices coinciden con el centro de la Tierra.

El efecto más aparente de la precesión es que los polos terrestres y sus equivalentes celestes (puntos donde las prolongaciones del eje terrestre cortan a la esfera celeste) describen circunferencias completas en un período de tiempo de 25.800 años.

Por la precesión, la dirección de la inclinación del eje terrestre sobre la eclíptica varía gradualmente. Asimismo, a causa del movimiento de precesión del eje de la Tierra la estrella a de la Osa Menor (Estrella Polar) no marcará siempre el Polo norte. En los próximos doscientos años dicha estrella se acercará progresivamente al polo celeste norte, hasta llegar a una distancia mínima de 25′, para alejarse posteriormente y no alcanzar una posición semejante a la actual hasta dentro de 25.800 años.

Trayectoria del polo norte celeste debido al movimiento de precesión del eje terrestre.

Por el fenómeno de la precesión, en el año 3.000 a.C. la estrella polar era la a Draconis y dentro de unos 12.000 años lo será la brillantísima estrella Vega.

El movimiento de precesión del eje terrestre determina un desplazamiento gradual de los equinoccios a razón de 50,256” por año y, por consiguiente, la inversión de la sucesión de las estaciones entre los dos hemisferios.

Panorámica de las Montañas Rocosas en los EE.UU.

El fenómeno o movimiento de nutación, que se compone con el de la precesión, consiste en un movimiento oscilatorio de los polos terrestres alrededor de sus posiciones medias, describiendo en el espacio una pequeña elipse, cuyo semieje mayor tiene un valor de 18′, en un período de tiempo de 18 2/3 años. La nutación determina que la inclinación del plano del ecuador terrestre sobre la eclíptica varíe 18” cada 18 años 2/3 y que la situación de los trópicos oscile alternativamente, alrededor de una posición media, unos 9′ del lado polar y del lado ecuatorial.

Campo gravitatorio

Cualquier objeto situado en la superficie terrestre o en un cierto espacio a su alrededor es atraído hacia la misma con una fuera, denominada fuerza de la gravedad, dirigida hacia el centro de la Tierra, aproximadamente según un radio terrestre. Dicha fuerza, según la ley de la gravitación universal de Newton, puede expresarse por la fórmula

donde G es la constante de la gravitación universal, de valor + 6,67 x 10 ^-11 en newtons x m ² / kg ² ; donde M es la masa de la Tierra, m la masa del objeto y D la distancia entre el objeto y el centro del planeta. Según la ley de Newton, la fuerza de la gravedad terrestre decrece con la distancia a nuestro planeta.

La fuerza de gravedad representa la fuerza con que la Tierra atrae a cualquier masa situada en su campo gravitatorio (zona del espacio que rodea la Tierra donde se manifiesta la atracción newtoniana debida a la masa del planeta) y al mismo tiempo corresponde al peso de dicha masa.

Por el principio fundamental de la dinámica se sabe que una fuerza aplicada a una masa le comunica una aceleración constante. Este principio aplicado al campo gravitatorio terrestre se manifiesta en que cualquier cuerpo situado en el mismo sufrirá una aceleración, denominada aceleración de la gravedad y representada por g , debida a la fuerza de atracción de la Tierra, cayendo sobre la superficie de ésta según una trayectoria aproximada a un radio terrestre. Como valor medio de la aceleración de la gravedad se toma g = 9,8 m/seg. La aceleración de la gravedad es mínima en el ecuador, donde la distancia al centro de la Tierra es mayor, aumentando de forma regular hasta los polos, lugar en que alcanza los valores máximos, debido a que el radio polar es la menor distancia de cualquier punto de la superficie terrestre al centro de la Tierra.

Fuerza de atracción newtoniana (F _n ) y fuerza centrifuga (F _c ) actuando sobre un cuerpo situado sobre un lugar de la superficie terrestre de latitud l . El peso real del cuerpo (P) es el resultado de la composición de ambas fuerzas y su dirección no coincide con la vertical, formando un ángulo d con la misma excepto en el polo y en el ecuador donde d es igual a cero.

Al considerar la intensidad del campo gravitatorio terrestre en cualquier punto de la superficie de nuestro planeta hay que tener en cuenta que la rotación del mismo determina sobre todos los puntos de su superficie fuerzas centrifugas que contrarrestan en parte la atracción newtoniana debida a la masa de la Tierra. En realidad, la fuerza de la gravedad es la resultante entre la fuerza de atracción newtoniana provocada por la masa de la Tierra y la fuerza centrifuga debida a la rotación terrestre. En el esquema se representan ambas fuerzas y su resultante.

La fuerza de la gravedad varía en la superficie terrestre de la siguiente manera:

1. Con la altitud : como puede apreciarse fácilmente en la fórmula de Newton, el valor de la gravedad en cualquier punto es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia del mismo al centro de la Tierra. Según esto, la gravedad será menor en la cima de una montaña que en una llanura próxima. La intensidad de campo gravitatorio terrestre disminuye a medida que nos alejamos de la Tierra, hasta un límite en el que será prácticamente nula y las masas no serán ya atraídas hacia la Tierra, como se demuestra fácilmente en las experiencias astronáuticas. Al igual que la Tierra, los demás cuerpos de nuestro sistema solar desarrollan a su alrededor campos gravitatorios cuya intensidad depende de la masa de los mismos. En la Luna, y debido a la diferencia de tamaño y de masa respecto a la Tierra, la gravedad es 1/6 de la de la Tierra.
2. Con la latitud , debido a que la Tierra no es una esfera perfecta. En efecto, dado que el radio polar es ligeramente menor que el ecuatorial, la gravedad será mayor en los polos que en el ecuador, disminuyendo gradualmente de aquéllos a éste. Por otra parte, la fuerza centrífuga debida a la rotación terrestre, que en parte contrarresta a la atracción newtoniana, tampoco es igual en toda la superficie del planeta, siendo mínima en los polos y máxima en el ecuador. Según el efecto de la fuerza centrífuga la gravedad terrestre también disminuirá gradualmente de los polos al ecuador.

Efecto de las grandes masas topográficas sobre la atracción newtoniana ejercida por la Tierra (F _n ); el peso de los cuerpos (P) puede sufrir pequeñas variaciones locales a causa de las mismas

1. Con la topografía : el valor de la gravedad en cualquier punto de la superficie terrestre estará afectado por la presencia de masas próximas, por ejemplo cordilleras de montaña, que determinarán fuerzas newtonianas secundarias contrarrestando en parte la atracción terrestre. La ciencia que estudia la gravedad terrestre, la distribución del campo gravitatorio de la Tierra y las anomalías que presenta dicho campo se denomina gravimetría.

Campo magnético, geomagnetismo

La Tierra se comporta como un gigantesco imán, creando a su alrededor un campo magnético, como lo demuestra el hecho de que en cualquier punto de la superficie terrestre una aguja imantada que pueda girar libremente sobre su centro de gravedad se orienta siempre en una dirección próxima a la dirección geográfica norte.

Mapa de isoclinas en el que aparecen localizados los polos magnéticos.

El campo magnético terrestre se extiende por el espacio que rodea la Tierra hasta distancias considerables, siendo el factor responsable, por ejemplo, de la existencia de los cinturones de radiaciones de Van Allen.

El eje del imán que crea el campo magnético terrestre se denomina eje geomagnético y los puntos donde sus prolongaciones cortan a la superficie terrestre se denominan polos magnéticos. En las primeras mediciones que se hicieron del campo magnético terrestre se comprobó que el eje geomagnético no coincide con el eje geográfico de la Tierra, sino que forma con él cierto ángulo cuyo valor es en la actualidad de unos 11,5°. Debido a esto los polos magnéticos no coinciden con los geográficos. En la medición realizada en 1965 la situación aproximada de los polos magnéticos era de 100° de longitud oeste y unos 70° de latitud norte para el polo magnético norte, es decir, cerca de la Tierra del Príncipe de Gales, en el norte de Canadá, y de 75° de latitud sur y 154° de longitud este para el polo geográfico sur, cerca de la Tierra de Adelaida.

El eje geomagnético terrestre no pasa por el centro de la Tierra, debido a lo cual los polos magnéticos no están en posiciones diametralmente opuestas.

En cada punto de la superficie terrestre el campo magnético creado por la Tierra se puede definir por una magnitud vectorial, denominada intensidad de campo, cuyo valor numérico es máximo en los polos y decrece hacia el ecuador magnético (plano perpendicular al eje geomagnético que pasa por el centro de la Tierra).

Esquema de la magnetosfera.

La dirección del vector intensidad de campo se determina mediante dos parámetros, la declinación (D), ángulo formado por el vector campo con el meridiano del lugar, y la inclinación magnética (1), ángulo formado por el plano del vector campo y el plano horizontal.
En un momento dado las constantes del magnetismo terrestres no son las mismas de un punto a otro del Globo.

Mediante una red de estaciones magnéticas y recientemente desde aviones que registran de modo continuo los valores de la intensidad magnética de las zonas sobre las que vuelan, se tiene una información bastante completa sobre el campo magnético terrestre en superficie. Las estaciones o puntos que presentan una misma declinación se unen sobre un mapa mediante líneas denominadas isógonas, mientras que los que presentan una misma inclinación se unen por líneas denominadas isoclinas. Estas últimas constituyen un sistema de paralelos más o menos deformados. La isoclina de inclinación cero constituye el ecuador magnético que divide a la Tierra en dos hemisferios, el norte, donde la inclinación es positiva, y el sur, donde es negativa.

El lugar de los puntos con declinación nula es una línea sinuosa que rodea la Tierra pasando por los polos. Dicha línea divide al Globo en dos hemisferios, uno Atlántico, donde la declinación es oeste, y otro Pacífico, con declinación este.

Esquema de los cinturones de Van Allen. Alrededor de la Tierra existen dos bandas de partículas de alta energía que dejan tan sólo dos aberturas a la altura de los polos

Mediante los elementos definidos se pueden construir mapas geomagnéticos a partir de los cuales es posible calcular la intensidad, la declinación y la inclinación magnéticas de un lugar. Estos valores calculados pueden posteriormente confirmarse o no en las mediciones directas. Si el valor calculado de un lugar y el medido no coinciden se dice que existe una anomalía magnética, resultado de las imantaciones permanentes que presentan ciertas masas de rocas y que crean a su alrededor campos magnéticos locales. Algunas anomalías pueden deberse también a la presencia de imantación remanente en las rocas desde su formación e indican las características del campo magnético terrestre en los momentos en que aquéllas se originaron.
Los conocimientos que se tienen en la actualidad sobre el interior de la Tierra proporcionan ya una explicación lógica sobre el origen del magnetismo terrestre. En efecto, se supone que la Tierra se comporta como una gran dinamo en la que la parte más interna del Globo (el núcleo), de naturaleza metálica (muy probablemente férrica), se ha transformado en un gran imán por inducción de las corrientes eléctricas existentes en las zonas periféricas de dicho núcleo (se sabe que una barra de hierro dulce rodeada por un alambre se magnetiza por inducción cuando por éste circula una corriente eléctrica).
El campo magnético terrestre sufre variaciones de diversa intensidad y períodos, como las variaciones seculares, las estacionales o anuales, las diurnas y las accidentales o tormentas magnéticas.
En la actualidad es posible conocer ciertas características del campo magnético terrestre en épocas geológicas pasadas a través de los estudios paleomagnéticos basados en el estudio de la magnetización remanente o fósil que adquieren ciertas rocas durante sus procesos de formación. Por ejemplo, durante el enfriamiento y consolidación de una lava sus constituyentes ferromagnéticos se orientarán según la dirección del campo magnético existente en aquel momento. Dicha orientación preferente de los constituyentes ferromagnésicos persistirá en la posterior evolución de la lava.
Los estudios de paleomagnetismo han permitido asimismo conocer que el campo magnético terrestre ha sufrido, a través de los tiempos geológicos, grandes cambios: desplazamientos o migraciones de los polos magnéticos e inversiones en la polaridad.

La magnetosfera y los cinturones de radiaciones de Van Allen
En las primeras décadas del presente siglo se creía que el campo magnético terrestre, como el campo gravitatorio, se extendía en el espacio disminuyendo progresivamente su intensidad a medida que nos alejábamos de la Tierra.

Primero fueron S. Chapman y V. Ferrao quienes sugirieron que durante las tormentas magnéticas nubes de partículas (polvo solar) provenientes del Sol rodeaban y encerraban el campo magnético terrestre. Más tarde se descubrió que dicho fenómeno no ocurre de manera ocasional, sino de manera continua, pues el Sol emite permanentemente plasma en forma de polvo solar. El campo magnético terrestre está limitado, pues, por la cara iluminada a una cierta distancia, aproximadamente unos diez radios terrestres (unos 65.000 km). Esta región del espacio que rodea la Tierra y que está limitada por la acción del plasma solar se denomina magnetosfera o cavidad geomagnética. Por el lado no iluminado de la Tierra la magnetosfera se extiende a distancia mucho mayor.

En el interior de la magnetosfera, a varios miles de kilómetros de distancia de la superficie terrestre, existen dos bandas o cinturones de partículas de alta energía que rodean casi totalmente la Tierra, dejando tan sólo dos pasillos o aberturas a la altura de los polos magnéticos. Dichas bandas de partículas se conocen con el nombre de cinturones de Van Allen y fueron descubiertas por el científico norteamericano del mismo nombre al final de la década de los cincuenta. Los cinturones de radiación se originan por una acción combinada de las emisiones de plasma solar, especialmente abundante durante las tormentas magnéticas, y por el campo magnético terrestre.

Dos auroras boreales en Alaska. Las auroras polares reciben el nombre de boreales en el hemisferio norte y de australes en el hemisferio sur

En efecto, ciertas partículas del plasma solar (electrones, protones y neutrones) que no son reflejadas o desviadas por la magnetosfera alcanzan el campo magnético terrestre siendo aprisionadas por las líneas de fuerza del mismo. Cuando la concentración de esas partículas alcanza cierto nivel caen sobre la ionosfera cediendo parte de su energía y dando lugar al fenómeno conocido con el nombre de auroras polares.

La electricidad terrestre

La Tierra, tanto en sus componentes sólidos como en sus envolturas fluidas (hidrosfera y atmósfera), es sede de numerosas corrientes eléctricas, muchas de las cuales están relacionadas íntimamente con las variaciones del campo magnético terrestre.

Las corrientes que circulan por la parte sólida de la Tierra se denominan corrientes telúricas, originándose muy probablemente en el manto o en la zona más externa del núcleo a causa de las diferencias de temperatura que existen en ambos lugares del planeta.

Las corrientes eléctricas que se producen en la atmósfera se conocen mucho mejor. La conductividad eléctrica de la atmósfera depende de su estado de ionización, es decir, del número de partículas cargadas eléctricamente por unidad de volumen.

Cuando las partículas subatómicas capturadas por la magnetosfera alcanzan una cierta concentración, se precipitan sobre la ionosfera dando origen a las auroras polares.

El desplazamiento de dichas partículas, que provoca corrientes eléctricas, se produce durante las mareas atmosféricas creadas por la atracción newtoniana del Sol y de la Luna.

Calor interno de la Tierra: geotermia

Es fácil comprobar en minas y sondeos que la temperatura de los materiales del interior de la Tierra aumenta con la profundidad. En numerosos pozos petrolíferos se llega a los 100 °C a unos 4.000 m de profundidad. Por otra parte, las erupciones volcánicas llevan a la superficie terrestre materiales a elevadas temperaturas provenientes de zonas profundas.

La geotermia es la rama de la geofísica que estudia el régimen térmico interno de la Tierra, la distribución de las temperaturas en la misma, el flujo de calor que las determina y el probable origen del calor terrestre.

Main Geyser, en Nueva Zelanda. Los geyseres son manantiales intermitentes de agua a elevada temperatura y con un alto contenido de sales disueltas.

Una sutil capa de la corteza terrestre, que raramente supera unas docenas de centímetros de espesor, se caracteriza por el hecho de que sus temperaturas dependen de la temperatura existente en superficie, mostrando, por tanto, variaciones diurnas y estacionales.

La influencia de la temperatura externa es menor a medida que se profundiza, hasta llegar a cierto nivel, denominado nivel neutro o zona de temperaturas constantes, en el cual la temperatura es constante e igual a la media superficial del lugar.

La profundidad a que se encuentra el nivel neutro en una zona determinada varía entre 2 m y 40 m, y es tanto mayor cuanto más extremo sea el clima en superficie. Otros factores que influyen en la localización del nivel neutro son la composición de las rocas, sus características térmicas, su contenido en agua, etcétera.

Por debajo del nivel neutro la temperatura aumenta con la profundidad, aunque dicho aumento no es uniforme.

Para el estudio del régimen térmico de las zonas del interior de la Tierra se han establecido dos magnitudes, el grado geotérmico o número de metros que hay que profundizar en la Tierra para que la temperatura aumente 1 °C, y el gradiente geotérmico, número de grados que aumenta la temperatura al profundizar 100 m. El gradiente geotérmico expresa el valor del aumento de la temperatura con la profundidad.

Grado y gradiente geotérmico son magnitudes que están en relación inversa, pues si aumenta el primero disminuye el segundo, y viceversa.

Géiser del Parque de Yellowstone.

En los niveles más superficiales de la corteza terrestre el valor medio del grado geotérmico es de unos 33 m, es decir, hay que profundizar dicha distancia para que la temperatura aumente 1°C. A este valor del grado le corresponde un valor del gradiente geotérmico de 3°C cada 100 m.

Como hemos dicho, estos valores medios sólo son aplicables a las zonas más externas de la corteza, pues de mantenerse a todo lo largo del radio terrestre las temperaturas serían tan elevadas que los materiales fundirían a profundidades de solo unos centenares de kilómetros (teniendo en cuenta que el radio terrestre es de unos 6.367 km, si el gradiente geotérmico se mantuviera uniforme con el valor antes mencionado, en el centro de la Tierra se alcanzarían temperaturas de cerca de 200.000 °C, a la cual la Tierra sería una bola incandescente).

Aspecto de la central geotérmica de Wairakei (Nueva Zelanda).

En la actualidad, la mayor parte de los geofísicos admiten que las temperaturas de las zonas internas de la Tierra no superan unos pocos miles de grados, a lo sumo 4.000 a 5.000°C. El gradiente geotérmico, por tanto, disminuye con la profundidad.

Fumarola en el Vesubio

Los valores del grado y del gradiente geotérmico de una región determinada pueden ser afectados por factores locales entre los que cabe mencionar los siguientes:

1. Conductibilidad térmica de las rocas que formen el sector, siendo tanto mayor el gradiente geotérmico cuanto mayor sea la conductibilidad térmica de esas rocas.
2. Tipo de reacciones y procesos que se produzcan en las rocas de la zona. Si en un sector concreto de la corteza terrestre predominan reacciones exotérmicas, es decir con desprendimiento de calor, el gradiente geotérmico aumentará, mientras que si predominan las reacciones endotérmicas o de absorción de calor, el gradiente disminuirá
3. La proximidad de masas magmáticas (rocas en estado de fusión) provocará aumentos notables en el gradiente geotérmico debido al flujo calorífico que originan aquéllas. Esto se comprueba fácilmente en las regiones volcánicas de nuestro planeta, en las cuales las temperaturas en profundidad son siempre mucho más altas que las temperaturas medias.
4. Concentración de elementos radiactivos en las rocas, ya que en su desintegración natural se desprenden grandes cantidades de calor determinando aumento en el gradiente geotérmico.

La Tierra, nuestro planeta, ¡tiene tantos misterios por resolver!

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