Estructura
interna de la Tierra
Corte en sección transversal de las capas que constituyen el planeta
Tierra
La estructura
interna de la Tierra está
formada por tres capas concéntricas de diferente composición y dinámica,
la corteza, el manto y
el núcleo, que en conjunto forman la geósfera o geosfera,
también conocida como tierra sólida.
En la física aristotélica, el término geósfera se
aplicaba a cuatro lugares esféricos naturales, anidados concéntricamente
alrededor del centro de la Tierra, como describe Aristóteles en
sus lecturas Física (Aristóteles) y Meteorológica, donde explica el objeto de
la ciencia meteorológica o atmosférica. Se creía que explicaban los movimientos
de los cuatro elementos de
la antigüedad: tierra, agua, aire y fuego.
En los
textos modernos y en la ciencia del sistema Tierra, la geósfera se refiere a
las partes sólidas de la Tierra; se usa junto con la atmósfera, la hidrósfera y
la biósfera para
describir los sistemas de la Tierra. En ese contexto, a veces se usa el
término litosfera en
lugar de geósfera o tierra sólida. La litosfera, sin embargo, solo se refiere a
las capas superiores de la Tierra sólida (rocas de la corteza oceánica y
continental y el manto superior).
Como la de
otros planetas terrestres (planetas cuyo volumen
está ocupado principalmente de material rocoso), está dividida en capas
de densidad creciente.
La Tierra tiene una corteza externa
rocosa compuesta por silicatos, un manto viscoso,
y un núcleo subdividido en dos capas, una
externa líquida, mucho más fluida que el manto y una interna sólida. Muchas de
las rocas que hoy forman parte de la corteza se formaron hace menos de 100
millones de años, durante el periodo Cretácico.
Sin embargo, las formaciones rocosas más antiguas conocidas tienen 4400
millones de años, lo que nos indica que el planeta ha tenido una corteza sólida
desde entonces.1
Gran parte
de nuestro conocimiento acerca del interior de la Tierra ha sido inferido de
otras observaciones. Por ejemplo, la fuerza de la gravedad es una medida de la
masa terrestre. Después de conocer el volumen del planeta, se puede calcular su
densidad. El cálculo de la masa y volumen de las rocas de la superficie, y de
las masas de agua, nos permiten estimar la densidad de la capa externa. La masa
que no está en la atmósfera o en la corteza debe encontrarse en las capas
internas de la tierra. La fuente más fiable de la estructura interna de la
Tierra la proporciona el estudio de las ondas
sísmicas, cuya velocidad está en función de los diferentes
parámetros físicos y químicos de los materiales que atraviesan.
Estructura
La estructura
de la tierra podría establecerse según dos criterios diferentes. Según su
composición química, el planeta puede dividirse en corteza, manto y núcleo (externo e interno); según sus
propiedades geológicas se definen la litosfera,
la astenosfera,
la mesosfera y el núcleo(externo e interno).1
Las capas se
encuentran a las siguientes profundidades:2
|
Capa
|
Profundidad (km)
|
|
... Corteza (varía localmente entre 5 y
70 km)
|
0-35
|
|
Litosfera (varía
localmente entre 5 y 200 km)
|
0-100
|
|
100-400
|
|
|
35-2890
|
|
|
Manto superior
|
35-660
|
|
Manto inferior
|
660-2890
|
|
2890-6371
|
|
|
Núcleo externo
|
2890-5150
|
|
Núcleo interno
|
5150-6371
|
La división
de la tierra en capas ha sido determinada indirectamente utilizando el tiempo
que tardan en viajar las ondas sísmicas reflejadas y refractadas, creadas por
terremotos. Las ondas transversales (S, o secundarias) no pueden atravesar el
núcleo, ya que necesitan un material viscoso o elástico para propagarse,
mientras que la velocidad de propagación es diferente en las demás capas. Los
cambios en dicha velocidad producen una refracción debido a la ley de Snell.
Las reflexiones están causadas por un gran incremento en la velocidad sísmica
(velocidad de propagación) y son parecidos a la luz reflejada en un espejo.
Capas definidas por su
composición
Vista esquemática del interior de la Tierra. 1: Corteza
continental - 2: Corteza oceánica - 3: Manto superior
- 4: Manto inferior - 5: Núcleo externo - 6:
Núcleo interno - A: Discontinuidad de Mohorovičić - B:- Discontinuidad de Gutenberg - C: Discontinuidad de Wiechert-Lehmann.
Corteza
Mapamundi en el que se muestra la profundidad de la Discontinuidad de Mohorovičić.
Es la capa
más superficial es donde habitamos, está formada por roca, la corteza terrestre
es una capa comparativamente fina; su grosor oscila entre 11 km en
las dorsales oceánicas y 70 km en
las grandes cordilleras terrestres como los Andes y el Himalaya.1
Los fondos
de las grandes cuencas oceánicas están formados por la corteza oceánica, con un espesor medio de
7 km; está compuesta por rocas máficas (silicatos de hierro y magnesio)
con una densidad media
de 3,0 g/cm3.
Los continentes están
formados por la corteza continental, que está compuesta por
rocas félsicas (silicatos
de sodio, potasio y aluminio),
más ligeras, con una densidad media de 2,7 g/cm3.
La frontera
entre corteza y manto se manifiesta en dos fenómenos físicos. En primer lugar,
hay una discontinuidad en la velocidad
sísmica, que se conoce como la Discontinuidad de Mohorovicic, o
"Moho". Se cree que este fenómeno es debido a un cambio en la
composición de las rocas, de unas que contienen feldespatos plagio
clásicos (situadas en la parte superior) a otras que no poseen
feldespatos (en la parte inferior). En segundo lugar, existe una discontinuidad
química entre cúmulos ultramáficos y harzburgitastectonizadas,
que se ha observado en partes profundas de la corteza oceánica que han
sido obducidas sobre la
corteza continental, incorporadas y conservadas como secuencias
ofiolíticas.
Manto
El manto
terrestre se extiende hasta una profundidad de 2890 km, lo que le
convierte en la capa más grande del planeta. La presión, en la parte inferior
del manto, es de unos 140 G Pa (1,4 M atm). El manto está compuesto por rocas
silíceas, más ricas en hierro y magnesio que la corteza. Las grandes
temperaturas hacen que los materiales silíceos sean lo suficientemente dúctiles
como para fluir, aunque en escalas temporales muy grandes. La convección del
manto es responsable, en la superficie, del movimiento de las placas tectónicas. Como el punto de fusión y la viscosidad de
una sustancia dependen de la presión a la que esté sometida, la parte inferior del
manto se mueve con mayor dificultad que el manto superior, aunque también los
cambios químicos pueden tener importancia en este fenómeno. La viscosidad del
manto varía entre 1021 y 1024 Pa·s.3
Como comparación, la viscosidad del agua es aproximadamente 10-3 Pa.s,
lo que ilustra la lentitud con la que se mueve el manto.
¿Por qué es
sólido el núcleo interno, líquido el externo, y semisólido el manto? La
respuesta depende tanto de los puntos de fusión de las diferentes capas (núcleo
de hierro-níquel, manto, y corteza de silicatos) como del incremento de la
temperatura y presión conforme nos movemos hacia el centro de la Tierra. En la
superficie, tanto las aleaciones de hierro-níquel como los silicatos están
suficientemente fríos como para ser sólidos. En el manto superior, los
silicatos son normalmente sólidos (aunque hay puntos locales donde están
derretidos), pero como están bajo condiciones de alta temperatura y
relativamente poca presión, las rocas en el manto superior tienen una
viscosidad relativamente baja. En contraste, el manto inferior está sometido a
una presión mucho mayor, lo que hace que tenga una mayor viscosidad en
comparación con el manto superior. El núcleo externo, formado por hierro y
níquel, es líquido a pesar de la presión porque tiene un punto de fusión menor
que los silicatos del manto. El núcleo interno, por su parte, es sólido debido
a la enorme presión que hay en el centro del planeta.
Núcleo
La densidad
media de la Tierra es 5515 kg/m3. Esta cifra lo convierte en el
planeta más denso del sistema solar. Si consideramos que la densidad media de
la corteza es aproximadamente 3000 kg/m3, debemos asumir que el
núcleo terrestre debe estar compuesto de materiales más densos. Los estudios
sismológicos han aportado más evidencias sobre la densidad del núcleo. En sus
primeras fases, hace unos 4500 millones de años, los materiales más densos,
derretidos, se habrían hundido hacia el núcleo en un proceso llamado
diferenciación planetaria, mientras que otros menos densos habrían migrado
hacia la corteza. Como resultado de este proceso, el núcleo está compuesto
ampliamente de hierro (Fe) (80 %), junto con níquel (Ni)
y varios elementos más ligeros. Otros elementos más densos, como el plomo (Pb) o el uranio (U)
son muy raros, o permanecieron en la superficie unidos a otros elementos más
ligeros.
Diversas
mediciones sísmicas muestran que el núcleo está compuesto de dos partes, una
interna sólida de 1220 km de radio y una capa externa, semisólida que
llega hasta los 3400 km. El núcleo interno sólido fue descubierto en 1936
por Inge Lehmann y se cree de forma más o
menos unánime que está compuesto principalmente de hierro con algo de níquel.
Para explicar el comportamiento de las ondas sísmicas cuando atraviesan el
núcleo interno, algunos científicos han inferido un ordenamiento y empaquetado
atómico que sería coherente con la estructura continua de un único cristal de
hierro que formara todo el núcleo interno.
El núcleo
externo rodea al interno y se cree que está compuesto por una mezcla de hierro,
níquel y otros elementos más ligeros. Recientes propuestas sugieren que la
parte más interna del núcleo podría estar enriquecida con elementos muy
pesados, con mayor número atómico que el cesio (Cs)(trans-Cesio,
elementos con número atómico mayor de 55). Esto incluiría oro (Au), mercurio (Hg) y uranio (U).6
Se aceptaba,
de manera general, que los movimientos de convección en el núcleo externo,
combinados con el movimiento provocado por la rotación terrestre (efecto
Coriolis), son responsables del campo magnético terrestre, mediante un
proceso descrito por la hipótesis de la dínamo. El núcleo interno
está demasiado caliente para mantener un campo magnético permanente (ver temperatura de Curie) pero probablemente
estabilice el creado por el núcleo externo.
Pruebas
recientes sugieren que el núcleo interno podría rotar ligeramente más rápido
que el resto del planeta.7
En agosto de 2005 un grupo de geofísicos publicaron, en la revista Science que,
de acuerdo con sus cálculos, el núcleo interno rota aproximadamente entre 0,3 y
0,5 grados más al año que la corteza.89
Las últimas teorías científicas explican el gradiente de temperatura de la
Tierra como una combinación del calor remanente de la formación del planeta,
calor producido por la desintegración de elementos radiactivos y el
enfriamiento del núcleo interno.
Desarrollo histórico y
concepciones alternativas
Teoría de Edmund Halley
En 1692 Edmund Halley (en
un artículo publicado en Philosophical Transactions of Royal Society of
London) propuso la idea de una Tierra formada por una cubierta hueca de
unas 500 millas de espesor, con dos capas interiores, concéntricas, alrededor
de un núcleo interno. El diámetro de las capas correspondería a los diámetros
de los planetas Venus, Marte y Mercurio, respectivamente.10
La propuesta de Halley estaba basada en los valores de densidad relativa entre
la Tierra y la Luna dados por sir Isaac Newton, en Principia (1687):
«Sir Isaac Newton ha demostrado que la Luna es más sólida que
nuestro planeta, 9 a 5», señaló Halley «¿por qué no podemos suponer entonces
que 4/9 de nuestro planeta son huecos?».10
En 1818, John Cleves Symmes, Jr. sugirió
que la Tierra estaba formada por una corteza externa hueca, de 1300 km de
espesor, con aberturas de 2300 km en ambos polos. En el interior habría
otras cuatro capas, cada una de ellas abierta también a los polos. Julio Verne,
en Viaje al centro de la Tierra, imaginó
enormes cavernas interiores, y William Reed en Fantasmas de los polos imaginó
una Tierra hueca.
Algunos
escritores religiosos se resistieron a la idea de una Tierra esférica, aunque
no obtuvieron mucha aceptación. La Flat Earth Society(Sociedad de la Tierra
Plana), anteriormente dirigida por Charles K. Johnson, trabaja duro en Estados
Unidos para mantener la teoría viva, y han asegurado tener varios miles de
seguidores.11
Algunos cristianos en Inglaterra y los Estados Unidos también intentaron revivir
estas ideas.
