Texto: Javier Elez, Anabel Casado y Gabriel Castilla
En el momento de escribir este post, la tripulación de la misión Artemis II de la NASA ha regresado ya felizmente de una nueva misión alrededor de la Luna. Su trabajo nos ofrecen nuevas fotos del planeta Tierra visto desde el espacio exterior (Fig. 1).
Además, hoy 22 de abril es el Día Internacional de la Tierra, así que vamos a aprovechar estas dos coincidencias para contaros la dimensión y la estructura general de nuestro planeta. Lo haremos desde un punto de vista fundamentalmente geológico y más que incidir en todos y cada uno de los elementos que dividen esas distintas zonas, pondremos el foco en por qué son tan interesantes cada una de estas capas para entender la dinámica del planeta.
DESDE EL ESPACIO EXTERIOR AL PLANETA AZUL
Si hiciéramos un viaje interestelar de vuelta desde el espacio exterior a nuestro planeta azul, a nuestra casa, como ha hecho Artemis II, lo primero con lo que nos encontraríamos sería el campo magnético terrestre. Este protege la Tierra como si fuera un escudo, desviando el viento solar, principalmente partículas atómicas y subatómicas procedentes del Sol (Fig. 2). Al atravesar ese escudo entraríamos en la atmósfera, la capa más exterior de nuestro planeta. Esta se caracteriza por estar compuesta fundamentalmente por gases que envuelven completamente el planeta.
La atmósfera no tiene límite superior definido, consideramos que empieza cuando gracias a ese escudo magnético deja de predominar la atmósfera solar. Podríamos darle una distancia aproximada de unos 10.000km a partir de la superficie del planeta Tierra.
Desde el punto de vista de la composición química nuestra atmósfera se puede dividir en dos grandes envolventes, la Heterosfera y la Homosfera (Fig. 3). Siguiendo en nuestro viaje de entrada a la Tierra, cruzaremos primero la Heterosfera.
La Heterosfera está estratificada pero no tiene una composición química homogénea, de forma que tiene capas donde predomina el hidrógeno, el helio, el oxígeno o el nitrógeno y en general presenta muy poca masa. La Heterosfera se acaba a unos 80-85km de la superficie de la Tierra, dando paso a lo que denominamos Homosfera.
Por tanto, la Homosfera se extiende desde esos 80-85km de elevación hasta la superficie del planeta y presenta una composición química muy constante: 21% de oxígeno, 78% nitrógeno y 1% de Dióxido de carbono, Argón, vapor de agua y otros gases.
En la atmósfera sucede una cosa muy curiosa, y que tiene que ver con cómo se comportan los gases desde el punto de vista físico. Los gases son compresibles, esto es, las moléculas gaseosas se pueden apretar en menos espacio. La gravedad de la Tierra atrae esos gases, evitando que escapen al espacio exterior, y los acumula preferentemente en su parte inferior.
De esta forma el 95% de masa de la atmósfera, prácticamente toda, se encuentra en los primeros 15km. El resto, hasta esos 10.000 kilómetros aproximados donde termina, es una zona que apenas tiene materia.
Una de las consecuencias de esta distribución es que justo en la superficie del planeta, que es donde se desarrolla la vida, es donde se encuentra la mayor densidad y presión en el aire.
También como consecuencia, en esta parte más cercana a la superficie del planeta (Troposfera y parte de la Estratosfera) es donde se dan gran parte de los fenómenos atmosféricos y climáticos típicos: nubes, lluvia, rayos, etc. ya que esta acumulación de masa permite la dinámica atmosférica, y también la sustentación de los aviones sin ir más lejos. Este cambio en la densidad de la atmósfera lo podemos notar al ascender una montaña de varios kilómetros que cada vez el aire es menos denso y podemos tener problemas para respirar precisamente porque hay menos oxígeno en el mismo volumen de aire que cogemos en cada exhalación.
SOBRE LA SUPERFICIE DE LA TIERRA
En nuestra llegada al planeta azul aterrizamos la nave espacial en la superficie rocosa del planeta, en la Troposfera (Fig. 3). Tras atravesar la atmósfera gaseosa encontramos un nuevo mundo en lo que a estados de la materia se refiere, los estados sólido y líquido.
La Tierra dispone de gran cantidad de agua en superficie, aproximadamente cuatro quintas partes de la superficie del planeta está cubierto de forma permanente por el agua de nuestros mares y océanos. Y aunque en proporción es una cantidad de masa muy pequeña con respecto al global del planeta, tiene una relevancia fundamental a la hora de entender la vida en general y de acoger a la humanidad en particular.
Esta agua superficial forma la hidrosfera, os dejamos algunos datos sorprendes que ayudan a dimensionar su volumen (Fig. 4):
- Si toda el agua del planeta Tierra (océanos, glaciares y casquetes polares, lagos, ríos y agua subterránea, agua atmosférica, etc.) lo ponemos en una esfera, el radio de esa bola sería de aproximadamente 682km.
- El volumen total de toda esa agua sería de unos 1.386 millones de km3.
- Toda el agua que se encuentra en la atmósfera, la mayor parte en forma de vapor, en un día normal suma unos 12.900km3. Si toda ella lloviera sobre el planeta en un instante, la Tierra se cubriría con una capa continua de unos 2,5cm de espesor.
- Solo el 2,5% del agua que existe en la superficie del planeta es agua dulce y la mayor parte de ella está en la Antártida.
A toda esta agua superficial hay que añadir la existencia de una cantidad importante de agua formando parte de las rocas y los minerales del interior de nuestro planeta, aunque es bastante difícil evaluar cuanta agua supone. Aquí las cifras son relativamente variables en función de las fuentes, pero apuntan a cantidades importantes de entre un 30 y un 85% del total de agua del planeta.
HACIA EL CENTRO DE LA TIERRA
Después de esta parada en la superficie, volvamos a nuestro viaje hacia el corazón del planeta, con una nave imaginaria que nos permita viajar a través de la geosfera. Por el camino veremos que, como ya pasara en la atmósfera, los materiales se estructuran en capas concéntricas que hacia el interior tienen cada vez más densidad, los elementos más pesados hacia el interior. En total, atravesar la geosfera son unos 6.380km.
Pero antes hay que hacer una advertencia, la estructura del interior del planeta es distinta a los ojos de la geología si hablamos de su composición (tipos de rocas y minerales que la forman) o si nos referimos a su estado físico: sólido y por tanto rígido, dúctil o semifundido y líquido, y con todos sus estadios intermedios.
Esto es importante ya que al igual que el hielo de un glaciar tiene la misma composición química que el agua que corre por un río o el vapor de agua de una nube, sus implicaciones en la dinámica planetaria son distintas. Es por esto que hacemos dos clasificaciones de las capas en el interior de la Tierra, una que tiene que ver con la composición en función de los tipos de roca y minerales y otra que tiene en cuenta esos estados físicos, lo que llamamos mecánica o reología en términos científicos. El conjunto de ideas que aportan ambas clasificaciones nos permite entender y explicar entre otras muchas cosas los mecanismos que mueven las placas tectónicas o por qué la Tierra tiene un campo magnético que nos protege del abrasador viento solar.
La estructura Interna en relación a la composición es bastante sencilla tenemos de fuera a dentro Corteza, Manto y Núcleo (Fig. 5, izquierda). La Corteza, donde dejamos aparcada nuestra nave interestelar y vivimos, se compone fundamentalmente de silicatos y apenas representa un 1% de la masa de la Tierra. Tiene un espesor bastante variable que puede ir desde los 6 hasta los 70-80 km y cuenta con todos los tipos de rocas: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Un dato muy importante es que su densidad media es relativamente baja, se sitúa entre los 2,7-3 g/cm3.
Esta baja densidad comparada con los materiales del Manto y Núcleo justifica su presencia en superficie. La Corteza es la capa más superficial porque acumula lo más ligero y flota. De igual forma que el agua del mar o de los ríos se sitúa sobre la superficie rocosa de la Corteza porque es menos densa que las rocas y por lo tanto flota sobre ellas. Recuerda que cuando tiras una piedra al mar esta se hunde porque es más densa que el agua.
En esta clasificación composicional, inmediatamente debajo de la corteza se encuentra el Manto. Esta capa se extiende desde el final de la corteza hasta los 2.900km de profundidad, ocupa un 83% del volumen de la Tierra y el 68% de su masa. Se compone fundamentalmente rocas de silicatos ricos en magnesio (Mg) y hierro (Fe) como la Peridotita que presentan densidades altas de 3 a 4,5 g/cm3.
Y llegamos ya al corazón de la Tierra, el Núcleo, que se encuentra desde los 2.900 km de profundidad hasta el centro de la Tierra a 6.380 km. Es solo el 16 % del volumen del planeta, pero el 30% de su masa ya que está compuesto por los materiales más densos y pesados, fundamentalmente por una aleación de hierro y níquel con una densidad muy alta, de 9-13 g/cm3.
Esta estratificación de materiales cada vez más densos hacia el interior se define con la formación del planeta y es la que responsable de la dinámica de tectónica de placas de nuestro planeta.
Sin embargo, al entender la estructura interna del planeta desde el punto de vista de los estados de la materia la cosa cambia ligeramente. Hagamos esta última parte del viaje de nuevo, pero esta vez fijándonos en el estado de los materiales de la geosfera. Así, desde la parte más externa hacia el interior atravesaríamos primero la Litosfera, y luego la Astenosfera, la Mesosfera, el Núcleo externo y finalmente el Núcleo interno (Figura 5 derecha).
La Litosfera, con un espesor aproximado de unos 100 km incorporaría toda la corteza y la parte más superficial del Manto. Presenta un comportamiento general frágil (más rígido) a relativamente dúctil (se deforma sin romperse, algo parecido a la plastilina), variando en función de la presión y la temperatura y está segmentado en placas tectónicas (también llamadas placas litosféricas) que actúan en sus bordes. Esta Litosfera está separada mecánicamente de la capa inferior, la Astenosfera.
La Astenosfera se encuentra entre los 100km de contacto con la Litosfera hasta incluso los 600km de profundidad. Se presenta en un estado menos rígido, sobre todo hacia su parte superior. Esta capa más blanda permite el movimiento de las placas litosféricas de forma relativamente libre sobre ella.
Por debajo de la Astenosfera encontramos la Mesosfera (la parte inferior del Manto) y que acaba en la superficie del Núcleo (desde los aproximadamente 600 km a los 2900 km). Aunque está en discusión, probablemente se encuentran en estado dúctil a semi-fundido. Esta capa es donde se transmite el calor del Núcleo hacia niveles más altos y donde se generan tanto plumas de calor verticales como células convectivas que finalmente serán las causantes de mover las placas continentales.
El Núcleo Externo, desde los 2900 km y hasta los 5200 km de profundidad, está en estado líquido, a diferencia del Núcleo Interno (desde los 5.200 km hasta los 6.380km) que se encuentra en estado sólido. Se trata de un complejo núcleo metálico en el cual la parte exterior líquida rota en un sentido y la capa interior sólida rota en el sentido contrario. Este movimiento del núcleo interno y el núcleo externo que genera un efecto de enorme dinamo que produce nuestro campo magnético.
Y así llegamos al final de nuestro viaje, desde el espacio al corazón de la Tierra. Un camino que comenzamos a unos 10.000 kilómetros por encima de la superficie de la Tierra, desde el viento solar y la atmósfera hasta 6380 km en el interior de la Tierra.
Para que el viaje fuera relajado y rápido, no nos hemos detenido a indicar todas y cada una de las pruebas que nos permiten saber con razonable seguridad lo que nos encontramos a lo largo de este viaje. Como no podemos viajar realmente dentro de la Tierra, mucho de lo que sabemos de la composición interna del planeta tiene que ver con los meteoritos encontrados sobre la superficie del planeta y con algunos pedazos (pocos) del interior del planeta que han llegado a la superficie. Mucho de lo que sabemos de la estructura de capas del interior del planeta tiene que ver con el estudio de las ondas sísmicas generadas por los terremotos y de las variaciones menores en los campos gravitatorio y magnético, pero todo eso es otra historia que contaremos en otro momento….
Para saber más…
Si tenéis curiosidad sobre los datos del agua en el planeta os recomendamos esta referencia: