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UNIDAD 1
Sistemas de la Tierra VISTAZO GENERAL Un río de lava candente repta lentamente por la superficie de la Tierra. Fluye desde Kilauea, un volcán activo de Hawái, e incinera todo lo que se cruza en su camino. ¿De dónde sale la energía para derretir la roca dura hasta convertirla en un líquido espeso que se desliza por los lechos de lava de Kilauea? En esta unidad, aprenderás sobre los cambios que suceden en los sistemas de la Tierra. También estudiarás los muchos cambios, rápidos y lentos, grandes y pequeños, que afectan a la superficie terrestre. Después trabajarás en equipo para investigar, crear y presentar el diseño de una exhibición en el centro de visitantes de Kilauea.
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CONTENIDO DE LA UNIDAD 1
La energía en los sistemas de la Tierra ¿Cómo hace la energía para mover la materia en los cuatro sistemas más importantes de la Tierra? Diseño de ingeniería: Hacer un modelo de la biosfera de la Tierra
Historia basada en fenómenos La roca líquida e incandescente brota de Kilauea, un volcán activo de Hawái. Mientras fluye por la superficie terrestre, forma nuevas tierras y elimina la vegetación. El parque nacional necesita una nueva exhibición para explicar a los visitantes cómo funciona el volcán. ¿Cómo diseñarías la exhibición? Investigaciones Interpreta modelos de los sistemas de la Tierra. Observa las corrientes de convección en el agua. Desarrolla un modelo para representar la transferencia de energía.
Leer más a fondo: Resolver los misterios del interior de la Tierra
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Escalas de cambio en la superficie terrestre ¿Cómo cambia la superficie terrestre con el paso del tiempo?
Investigaciones Elabora explicaciones sobre las diferencias de escala en los fenómenos de la Tierra. Realiza y evalúa una investigación sobre la cristalización. Evaluación del desempeño El Servicio de Parques Nacionales está llevando a cabo una competencia en la que elegirán un diseño para la nueva exhibición. Trabaja en equipo para crear los gráficos, las imágenes y el texto para la exhibición del centro de visitantes del parque volcánico de Kilauea. Después presenta tu diseño a los funcionarios del parque.
Sistemas de la Tierra
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UNIDAD 1 Next Generation Science Standards
Performance Expectations MS-ESS2-1. Develop a model to describe the cycling of Earth’s materials and the flow of energy that drives this process. MS-ESS2-2. Construct an explanation based on evidence for how geoscience processes have changed Earth’s surface at varying time and spatial scales. MS-ETS1-4. Develop a model to generate data for iterative testing and modification of a proposed object, tool, or process such that an optimal design can be achieved.
Science and Engineering Practices
Crosscutting Concepts
Disciplinary Core Ideas
Developing and Using Models • Develop and use a model to describe phenomena. • Develop a model to generate data to test ideas about designed systems, including those representing inputs and outputs.
Energy and Matter Within a natural or designed system, the transfer of energy drives the motion and/or cycling of matter.
ESS2.A: Earth’s Materials and Systems • All Earth processes are the result of energy flowing and matter cycling within and among the planet’s systems. This energy is derived from the sun and Earth’s hot interior. The energy that flows and matter that cycles produce chemical and physical changes in Earth’s materials and living organisms. • The planet’s systems interact over scales that range from microscopic to global in size, and they operate over fractions of a second to billions of years. These interactions have shaped Earth’s history and will determine its future.
Constructing Explanations and Designing Solutions Construct a scientific explanation based on valid and reliable evidence obtained from sources (including the students’ own experiments) and the assumption that theories and laws that describe the natural world operate today as they did in the past and will continue to do so in the future.
Systems and System Models Models can be used to represent systems and their interactions—such as inputs, processes and outputs—and energy, matter, and information flows within systems. Scale, Proportion and Quantity Time, space, and energy phenomena can be observed at various scales using models to study systems that are too large or too small. Stability and Change Explanations of stability and change in natural or designed systems can be constructed by examining the changes over time and processes at different scales, including the atomic scale.
ESS2.C: The Roles of Water in Earth’s Surface Processes Water’s movements—both on the land and underground—cause weathering and erosion, which change the land’s surface features and create underground formations. ETS1.B: Developing Possible Solutions • A solution needs to be tested, and then modified on the basis of the test results, in order to improve it. • Models of all kinds are important for testing solutions. ETS1.C: Optimizing the Design Solution The iterative process of testing the most promising solutions and modifying what is proposed on the basis of the test results leads to greater refinement and ultimately to an optimal solution.
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Conecta lo que aprendes La Tierra es dinámica. En su larga historia, los sistemas de la Tierra han cambiado de diferentes formas en respuesta a los movimientos de las masas de tierra, la erosión, el clima y los organismos vivos, ¡como tú! Algunos de estos cambios llevan mucho, mucho tiempo. Otros cambios son rápidos, se dan en segundos. Puedes entender lo dinámica que es la Tierra observando el mundo y los fenómenos que te rodean para aprender cómo un cambio influye en otro.
Nuestro planeta usa la energía del sol de la misma manera que este hábitat artificial. ¿Por qué los científicos estudian la forma en que se mueve la energía en los sistemas más importantes de la Tierra para explicar el pasado y el futuro de la Tierra?
Sistemas de la Tierra
Un escarabajo oscuro cruza las dunas del desierto del Sahara, sin saber que sus pequeños pasos pueden provocar grandes cambios. ¿De qué manera las acciones de un pequeño escarabajo pueden afectar algo tan grande como un planeta?
Este puente de roca parece hecho por un escultor. Sin embargo, ningún ser humano participó en su construcción. La superficie de la Tierra cambia constantemente. ¿Cómo influyen los cambios de la Tierra en tu vida y tus actividades?
Sistemas de la Tierra
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LECCIÓN 1
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La energía en los sistemas de la Tierra ¿Cómo hace la energía para mover la materia en los cuatro sistemas más importantes de la Tierra? Introducción
Vocabulario
Cada pocos minutos, el géiser Strokkur, en Islandia, entra en erupción y lanza por el aire una columna de vapor y agua hirviendo de 20 metros de altura. ¿Cuál es la fuente de energía que hace hervir el agua? ¿Qué te dice la erupción de agua hirviendo que brota de las profundidades de la Tierra sobre las rocas que están debajo de la superficie? Ahora piensa en un fenómeno menos impresionante. ¿Qué pasa con el agua cuando la hierves en una olla? Mientras el agua hierve, una parte pasa de estado líquido a gaseoso, deja la olla y pasa al aire. Si dejas el fuego prendido, el nivel del agua baja hasta que la olla queda vacía. ¿Por qué pasa eso? Aunque no lo creas, la desaparición del agua de la olla y la erupción del géiser están relacionadas. En los dos casos, hubo transferencia de energía al agua, que hizo que el agua cambiara y se moviera. En esta lección, investigarás cómo hace la energía para mover la materia en los cuatro sistemas más importantes de la Tierra: la geosfera, la hidrosfera, la atmósfera y la biosfera. Descubrirás de qué manera los científicos usan modelos para representar sistemas como estos. También aprenderás sobre una estructura gigante que los científicos e ingenieros construyeron en el desierto de Arizona para representar cómo funcionan los sistemas de la Tierra. Originalmente se construyó con el fin de poner a prueba las habilidades de los seres humanos para colonizar el espacio, pero hoy los científicos la usan para estudiar fenómenos de la Tierra, como el cambio climático.
corteza capa rocosa externa, fina, fría y rígida de la Tierra manto capa rocosa caliente intermedia, ubicada entre la corteza y el núcleo núcleo capa rocosa interna, caliente y densa, ubicada debajo del manto conducción transferencia de energía entre objetos que están en contacto; hace que la energía se mueva de un objeto más caliente a otro más frío densidad propiedad de la materia que equivale a la cantidad de masa que hay en un volumen determinado de materia convección transferencia de energía causada por la circulación de materia debida a diferencias en la densidad radiación transferencia de energía en forma de luz a través del espacio o de objetos transparentes
Next Generation Science Standards Performance Expectations MS-ESS2-1. Develop a model to describe the cycling of Earth’s materials and the flow of energy that drives this process. MS-ETS1-4. Develop a model to generate data for iterative testing and modification of a proposed object, tool, or process such that an optimal design can be achieved.
Crosscutting Concepts Energy and Matter Within a natural or designed system, the transfer of energy drives the motion and/ or cycling of matter. Systems and System Models Models can be used to represent systems and their interactions— such as inputs, processes and outputs—and energy, matter, and information flows within systems.
Science and Engineering Practices Developing and Using Models • Develop and use a model to describe phenomena. • Develop a model to generate data to test ideas about designed systems, including those representing inputs and outputs.
Disciplinary Core Ideas ESS2.A. All Earth processes are the result of energy flowing and matter cycling within and among the planet’s systems. This energy is derived from the sun and Earth’s hot interior. The energy that flows and matter that cycles produce chemical and physical
changes in Earth’s materials and living organisms. ETS1.B. • A solution needs to be tested, and then modified on the basis of the test results, in order to improve it. • Models of all kinds are important for testing solutions. ETS1.C. The iterative process of testing the most promising solutions and modifying what is proposed on the basis of the test results leads to greater refinement and ultimately to an optimal solution.
La energía en los sistemas de la Tierra
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1. La geosfera A menos de 100 km del géiser Strokkur se encuentra el sitio de otro tipo de erupción. En ese lugar, a veces mana roca líquida y caliente de las grietas profundas del suelo. La foto de una erupción volcánica en Islandia revela cómo la actividad que ocurre debajo de la corteza terrestre puede producir cambios rápidos en la superficie de la Tierra. ¿Qué nos revelan sucesos como este sobre el interior de la Tierra?
Toda la roca de la Tierra, desde la capa más superficial hasta el centro, compone la geosfera. A pesar de ser roca dura en su mayor parte, la geosfera cambia constantemente. Como se ve en esta foto de una erupción volcánica en Islandia, el material rocoso sale desde el interior de la Tierra de una forma espectacular.
Figura 1.1A La geosfera incluye todo el material rocoso de la Tierra. Tiene un espesor aproximado de 6,370 km desde la superficie hasta el centro. Cada una de las tres capas principales de la geosfera tiene distintas propiedades.
Las capas de la geosfera La geosfera es el material rocoso del que está hecha la Tierra, desde la superficie del planeta hasta su centro. Así como cortar una manzana al medio te permite ver su interior, los científicos han encontrado maneras de “ver” el interior de la Tierra. Descubrieron que está compuesta de distintas capas con diferentes propiedades. Algunas partes son líquidas, pero la mayor parte es roca dura. La Figura 1.1A es un modelo que representa las capas más importantes de la geosfera: la corteza, el manto y el núcleo. La corteza es la capa rocosa externa, fina, fría y rígida de la Tierra. Está hecha mayormente de elementos livianos, como oxígeno, silicio y aluminio, y, por eso, es la capa menos densa de la Tierra. La corteza, de la que están hechos los continentes, tiene aproximadamente 35 kilómetros de espesor en promedio. El manto es la capa rocosa caliente intermedia, ubicada entre la corteza y el núcleo. La roca del manto es un material sólido y denso, compuesto principalmente por oxígeno, magnesio y silicio. A pesar de que es sólido, el manto está tan caliente que fluye lentamente, de la misma manera que fluye la mezcla con la que se hacen los pasteles. El manto tiene un espesor aproximado de 2,865 kilómetros. El núcleo es la capa rocosa interna, caliente y densa, ubicada debajo del manto. Está compuesto principalmente de hierro y níquel, elementos pesados que la convierten en la capa más densa de la Tierra. Como está bajo muchísima presión de las otras capas, el núcleo es además la capa más caliente. Desde el fondo del manto hasta el centro del núcleo, hay una distancia de unos 3,470 kilómetros.
Las tres capas principales de la geosfera Corteza 35 km de espesor
Manto 2,865 km de espesor
Núcleo 3,470 km de espesor
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Lección 1
La energía y los ciclos de la materia Conducción y convección en la geosfera en la geosfera El flujo de energía que va desde el interior hacia el exterior de la Corteza Tierra y la fuerza de gravedad que atrae la materia hacia el centro de la Tierra generan El material más frío se vuelve más denso, y la los ciclos del material rocoso dentro de gravedad atrae con más la geosfera. Recuerda que el núcleo de la fuerza los materiales más Tierra es extremadamente caliente. La densos hacia el centro de la Tierra. energía fluye hacia afuera, desde el núcleo Celda de hacia la superficie fría, mediante un proceso convección llamado conducción. La conducción es la transferencia de energía entre objetos que están en contacto. La conducción hace que la energía se mueva de un objeto más caliente a El material más otro más frío. caliente se vuelve La transferencia de energía por conducción menos denso y provoca cambios en las propiedades de la roca. se eleva. Una de esas propiedades es la densidad. La densidad es una propiedad de la materia que equivale a la cantidad de masa que hay en un volumen determinado de materia. Diferentes La energía interna sustancias tienen diferentes densidades. Por de la Tierra fluye hacia afuera desde ejemplo, una pelota de metal sólido es más el interior densa que una pelota de madera del mismo por conducción. tamaño porque la pelota de metal contiene más materia por unidad de volumen. Los Manto Núcleo materiales menos densos flotan encima de los más densos. En el agua, la pelota de madera flota, mientras que la de metal se hunde. Cuando la roca se calienta, se vuelve menos densa. Cuando se enfría, se Figura 1.1B vuelve más densa. Las diferencias en la densidad debidas a la temperatura El ciclo del material rocoso dentro de la geosfera está impulsado por el flujo de provocan convección en el manto. La convección es la transferencia de energía que viene desde el interior de la energía causada por la circulación de materia debida a diferencias en la Tierra y la fuerza de gravedad que atrae densidad. Como acabas de aprender, a pesar de que la roca del manto es la materia hacia el centro de la Tierra. sólida, se mueve lentamente, como la mezcla con la que se hacen los pasteles. La energía se mueve hacia afuera por La convección hace que la roca caliente y menos densa del manto se eleve conducción, y tanto la materia como la hacia la corteza. La fuerza de gravedad, que atrae el material hacia el centro energía se mueven por convección. de la Tierra, hace que la roca más fría y densa se hunda hacia lo profundo del manto. Este patrón de movimiento circular se denomina celda de convección. En la Figura 1.1B vemos un modelo que muestra el ciclo del material rocoso por convección en el manto. La conducción y la convección juntas transfieren energía desde el interior de la Tierra hacia la superficie, y hacen que el material rocoso se mueva. Puedes ver este proceso en acción durante una erupción volcánica, como la que se ve en la foto de Islandia. El magma es la roca que está dentro de la Tierra, tan caliente que está derretida por completo, en estado líquido. El magma es menos denso que la roca que lo rodea, por eso se eleva hacia la superficie de la Tierra y mana por las chimeneas de los volcanes. La energía en los sistemas de la Tierra
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Hidrosfera
Aproximadamente 20 km de espesor 97 % agua salada 3 % agua dulce
La hidrosfera es toda el agua de la Tierra, incluidos los océanos, lagos, ríos, agua subterránea, glaciares, casquetes polares, nubes, y hasta el vapor (un gas). Más de dos tercios de la relativamente ínfima cantidad de agua dulce que hay en el planeta está congelada en los glaciares. Formaciones gigantescas de hielo como estas cubren gran parte del Ártico.
69 % glaciares 30 % agua subterránea 1 % lagos y ríos
2. La hidrosfera “Agua, agua por doquier, ni una gota para beber”. Son líneas de un poema llamado “La balada del viejo marinero” sobre un marinero perdido en el mar. Lo mismo se puede decir de este oso polar. Su “barco” es un pedazo de hielo que navega las corrientes de agua salada de un océano imposible de beber. (No te preocupes, los osos polares han evolucionado para obtener el agua de su dieta de alto contenido de grasas). ¿Qué partes de la Tierra están hechas de agua y cuánta de esa agua es potable? Las partes de la hidrosfera El agua está en todos lados: dentro, encima y alrededor de la Tierra. La encontramos en las nubes, los océanos, los lagos, los ríos, los glaciares e incluso debajo de la tierra. Como ves en la foto, el agua de la Tierra puede estar en estado líquido o sólido. Y aunque no la veas, el agua también puede estar en estado gaseoso. Toda el agua de la Tierra, incluso el vapor de agua, compone la hidrosfera. La hidrosfera tiene un espesor de aproximadamente 20 km. Se extiende desde unos 5 km por debajo de la superficie de la Tierra hasta unos 15 km en la atmósfera. Alrededor del 97 % del agua de la hidrosfera es salada y se encuentra en los océanos y en algunos lagos. Apenas un pequeño porcentaje del agua del planeta es dulce, y la mayor parte está en forma de hielo glaciar en los polos o en forma de agua subterránea, debajo de la superficie.
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Lección 1
La energía y los ciclos de la materia en la hidrosfera La fuente principal de energía que impulsa el ciclo del agua en la hidrosfera es el sol. El sol tiene una influencia muy fuerte en la hidrosfera porque le transfiere mucha más energía que el interior de la Tierra. Recuerda que la energía de la geosfera se transfiere por conducción y convección. Estos procesos dependen de que la energía se mueva a través de la materia. Sin embargo, en el espacio, no hay suficiente materia para que la energía del sol se transfiera por medio de estos procesos. En cambio, la energía solar se transfiere a la Tierra por radiación. La radiación es la transferencia de energía en forma de luz a través del espacio o de sustancias transparentes. La Figura 1.2 representa la manera en que la energía hace circular el agua en todo el mundo. Mediante la convección, el agua de los océanos se mueve entre las regiones polares y el ecuador. Cuando la energía solar llega a la superficie de la Tierra, calienta el agua. Como llega más energía solar al ecuador que a los polos, la superficie del océano es más templada en las regiones ecuatoriales. El agua templada es menos densa que la fría, por eso permanece más cerca de la superficie del océano. Sin embargo, en los polos, la conducción entre la atmósfera y el océano hace que el agua se enfríe y se hunda, y forme corrientes oceánicas profundas que se desplazan hacia el ecuador. A medida que estas corrientes profundas se acercan al ecuador, los vientos prevalecientes pueden crear corrientes superficiales que atraen el agua fría hacia la superficie, donde se calienta nuevamente.
Figura 1.2 La energía del sol y la gravedad de la Tierra hacen que el agua de los océanos se mueva por convección. La conducción entre la superficie del océano y tanto el aire frío de los polos como el aire caliente del ecuador cambia la temperatura del agua del océano. La convección y la conducción contribuyen a la formación de una corriente de agua enorme que circula entre el ecuador y los polos.
Conducción y convección en la hidrosfera El aire polar enfría la superficie del agua.
El aire ecuatorial calienta la superficie del agua.
Energía del sol
Corriente superficial Corriente profunda
La energía en los sistemas de la Tierra
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Atmósfera 10,000 km de espesor 78 % nitrógeno 21 % oxígeno 0.9 % argón 0.04 % dióxido de carbono 0.06 % gases traza, incluido el vapor de agua
La atmósfera es la capa de gases que rodea la geosfera y la hidrosfera. Las nubes como las que vemos en la foto solo se forman en los niveles más bajos de la atmósfera.
3. La atmósfera Si pudieras hacer un viaje en globo aerostático muy alto en el cielo, ¿qué verías y qué sentirías? Mientras vieras que el suelo se aleja cada vez más, sentirías que el aire a tu alrededor se enfría. Sería más difícil respirar, ya que a altitudes mayores hay menos oxígeno. A medida que los vientos son más fuertes, tu globo se alejaría del punto de partida. Sabes que el viento es aire en movimiento. Pero ¿de qué clase de materia está compuesto el aire? ¿De dónde viene la energía que crea el viento? Las partes de la atmósfera La atmósfera es la capa de gases que rodea la Tierra. Está formada principalmente por dos elementos: nitrógeno y oxígeno. También contiene pequeñas cantidades de otros elementos, como argón, dióxido de carbono y vapor de agua. Aprendiste que el vapor de agua forma parte de la hidrosfera, pero como es un gas, también forma parte de la atmósfera. La atmósfera es mucho más espesa que la hidrosfera. Se extiende desde la superficie terrestre hasta una altura de 10,000 kilómetros aproximadamente. No hay una línea exacta que marque la división entre la atmósfera y el espacio. En cambio, la densidad de la atmósfera se modifica a medida que asciendes. A medida que aumenta la altura, el aire se vuelve cada vez menos denso, hasta que es casi indetectable. Todas las condiciones atmosféricas con las que estás familiarizado, incluidos todos los fenómenos meteorológicos, ocurren en los niveles más bajos de la atmósfera, donde la densidad de los gases es mayor.
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Lección 1
La energía y los ciclos de la materia en la atmósfera El flujo de energía y los ciclos de la materia en la atmósfera están impulsados por la energía solar, la convección y la gravedad de la Tierra. Como se ve en el modelo de la Figura 1.3, las celdas de convección constantemente transfieren energía e impulsan los ciclos de la materia en la atmósfera. Debido a la forma esférica de la Tierra, la energía del sol se concentra mucho más a lo largo del ecuador que en los polos. La energía solar que se concentra en el ecuador calienta el aire y lo vuelve menos denso. El aire caliente y menos denso se eleva a mayores altitudes y se aleja del ecuador. A medida que aumenta la altitud, el aire empieza a enfriarse. Al final se enfría tanto que se vuelve más denso y se hunde hacia la superficie, donde se vuelve a calentar. En todo el planeta, las corrientes de convección mueven el aire caliente hacia arriba y el aire frío hacia abajo. Este ciclo forma celdas de convección enormes, que hacen la circulación global de aire en la atmósfera. La atmósfera, la hidrosfera, la energía solar y la gravedad están íntimamente relacionadas y contribuyen a la creación de patrones meteorológicos de la Tierra. Cuando la energía solar calienta el agua, parte del agua se evapora y se mezcla con el aire. El aire más cálido que está cerca de la superficie se eleva a altitudes mayores, donde se enfría. Cuando se enfría, el vapor de agua se condensa y se transforma en gotitas que forman las nubes. La gravedad provoca que la lluvia y la nieve caigan nuevamente a la superficie.
Figura 1.3 La energía del sol y la gravedad de la Tierra producen convección en la atmósfera. Grandes celdas de convección mueven constantemente tanto el aire como la energía en patrones circulares alrededor del planeta.
Convección en la atmósfera Energía del sol Celda de convección
El aire más cálido y menos denso se eleva.
El aire más frío y denso se hunde.
La energía en los sistemas de la Tierra
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4. La biosfera
Figura 1.4 La biosfera está formada por las partes de la Tierra en las que los organismos pueden vivir, y también incluye a todos los seres vivos del planeta. Los ciclos de la energía y la materia en la biosfera están impulsados por la cadena alimenticia. Para crecer, mantenerse sanos y reproducirse, todos los organismos necesitan energía y nutrientes de su entorno.
La Tierra es única en nuestro sistema solar por ser el único planeta en el que se sabe que hay vida. Piensa en todas las formas de vida que viste hoy: en casa, en la escuela y camino a la escuela. ¿Qué necesitan estos organismos para vivir? ¿Qué características tiene la Tierra que hacen posible la vida aquí? La geosfera, la hidrosfera y la atmósfera de la Tierra interactúan y hacen que nuestro planeta sea habitable. La biosfera está formada por las partes de la Tierra en las que los organismos pueden vivir, y también incluye a todos los seres vivos del planeta. Los otros tres sistemas brindan un hábitat, agua, aire y nutrientes que necesitan los organismos para vivir. Has aprendido que la energía y la materia cumplen ciclos en la geosfera, la hidrosfera y la atmósfera, principalmente mediante el proceso de convección. La mayor parte de la energía y la materia en la biosfera circulan de un organismo a otro mediante relaciones llamadas cadenas alimenticias. La Figura 1.4 representa estas relaciones. La energía del sol ingresa primero en la biosfera. Los productores, como las plantas, que hacen su propia comida, capturan la energía solar. Cuando los animales llamados herbívoros comen las plantas, parte de la energía de las plantas se transfiere a los animales. Los animales llamados carnívoros obtienen energía comiendo a otros animales. Los descomponedores obtienen energía descomponiendo y reciclando organismos muertos y desechos de organismos vivos.
Energía y materia en la biosfera Herbívoros
Productores
Energía del sol
Energía y materia En
er g ía y
ma
er
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ia
En
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Carnívoros t er
Descomponedores
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Energía y materia
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Lección 1
Concepto científico clave
El flujo de la energía y la materia a través de los sistemas de la Tierra Toda la energía que está presente en los sistemas de la Tierra viene del sol o del interior de la Tierra. La convección que ocurre en la atmósfera, la hidrosfera y la geosfera mueve la energía y la materia tanto dentro de estos sistemas como entre ellos. En la biosfera, la energía y la materia se mueven entre diferentes tipos de organismos. Este diagrama representa el espesor relativo de cada uno de los cuatro sistemas principales de la Tierra.
Atmósfera Aprox. 10,000 km de espesor
Atmósfera
Biosfera
Biosfera
La convección en la atmósfera y la hidrosfera está impulsada por la energía solar y la gravedad. En la biosfera se produce un intercambio de materia y energía entre los diversos organismos.
Hidrosfera
Más de 70 km de espesor Geosfera
La energía interna de la Tierra se mueve hacia afuera por conducción y convección. La convección en la geosfera está impulsada por la energía interna de la Tierra y la gravedad.
Hidrosfera Hasta 20 km de espesor
Geosfera Aprox. 6,370 km de espesor
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Diseño de ingeniería
Biosfera 2 fue la primera biosfera artificial diseñada para representar la biosfera de la Tierra. Construida en Oracle, Arizona, en la década de 1980, se diseñó para ser un sistema cerrado e independiente con el que se pudiera poner a prueba la capacidad humana para, algún día, vivir en colonias en el espacio. Hoy es un centro de investigación y educación que se concentra en temas relacionados con la Tierra, como el cambio climático.
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Lección 1
5. Hacer un modelo de la biosfera de la Tierra La única biosfera que los científicos conocen en el sistema solar es la que tenemos en la Tierra. Todos los demás planetas y lunas son inhóspitos para la vida. ¿Qué les falta? La mayoría tienen poco o nada de oxígeno en sus atmósferas, temperaturas inhóspitas (o abrasadoras o heladas) y poco o nada de agua. La única forma en que los seres humanos podrían sobrevivir en otro planeta sería si se reprodujeran las condiciones que hay en la Tierra. ¿Cómo podrían los científicos diseñar una biosfera artificial? En la década de 1980, los científicos decidieron construir y poner a prueba una biosfera artificial para averiguar si sería posible vivir en Marte. Su proyecto, llamado Biosfera 2, iba a ser un modelo físico y funcional de la biosfera terrestre: una réplica diseñada para cumplir las mismas funciones, pero en menor escala. Un modelo conceptual, por el contrario, es un diagrama o una ecuación que representa un sistema, como un diagrama de la geosfera. El desafío era recrear una atmósfera, una hidrosfera y una geosfera que pudieran sostener una biosfera. El sistema de 3.14 acres incluiría un bosque, un desierto, un océano, una ciénaga, una sabana y una granja, y 3,800 especies diferentes de organismos. El objetivo del proyecto era observar si el modelo lograba llevar a cabo la transferencia de energía y los ciclos de la materia dentro de los diferentes sistemas y entre ellos. Sería un sistema cerrado, lo que significa que todos los procesos estarían dentro del modelo. Una vez que se construyó la estructura y se reunieron los recursos, llegó la hora de comenzar a poner a prueba la primera biosfera artificial del mundo.
Los investigadores que vivían en la Biosfera 2 supervisaron y recopilaron datos constantemente durante dos años para entender cómo interactuaban las partes de la biosfera y cómo realizar mejoras en el modelo. Se registraron y analizaron los datos. Las pruebas repetidas realizadas en el modelo de biosfera brindaron información que los científicos usaron para modificar el sistema. Los científicos hicieron mejoras al modelo una y otra vez para lograr el mejor diseño posible. Después de unos dieciséis meses, empezaron a tener un problema con la recopilación de datos: los niveles de oxígeno de la biosfera habían bajado considerablemente. Los investigadores estaban cansados y débiles porque había muy poco oxígeno en el aire. Los científicos e ingenieros estaban decididos a entender por qué habían bajado los niveles de oxígeno. Al final, descubrieron al culpable: ¡las bacterias! Las bacterias descomponen la materia orgánica para generar energía. Para descomponer la materia, usan el oxígeno de la atmósfera. Los científicos enfrentaron muchos desafíos durante el proyecto Biosfera 2, pero en las ciencias, cada fracaso trae nuevos conocimientos. Biosfera 2 llevó a los científicos un paso más cerca de hacer posible la colonización de otro planeta.
Un científico de la Biosfera 2 estudia cómo las plantas alteran la composición del suelo. En el transcurso del proyecto, se realizaron muchas investigaciones para recopilar datos y supervisar los cambios que se producen en la biosfera con el paso del tiempo.
RESUMEN DE LA LECCIÓN
La energía en los sistemas de la Tierra La geosfera La geosfera es todo el material rocoso que compone la Tierra, incluida la corteza, el manto y el núcleo. La energía se mueve hacia afuera desde el interior caliente de la Tierra por conducción y convección. La roca sólida del manto se mueve por convección. La hidrosfera La hidrosfera es toda el agua de la Tierra, incluida la que está sobre la superficie, debajo de ella y en el aire. La energía del sol, el viento y la gravedad de la Tierra impulsan la circulación del agua de los océanos en todo el mundo. La atmósfera La atmósfera es la capa de gases que rodea a la Tierra. La energía del sol y la gravedad de la Tierra hacen que los gases de la atmósfera se muevan por convección. Las interacciones entre la atmósfera y la hidrosfera crean patrones meteorológicos en la Tierra. La biosfera La biosfera consiste en todos los seres vivos y las partes de la Tierra en las que viven. La energía de la biosfera tiene su origen en el sol. La mayor parte de la energía y la materia de la biosfera pasa de un organismo a otro a través de las cadenas alimenticias. Hacer un modelo de la biosfera de la Tierra En la década de 1980, científicos e ingenieros diseñaron un modelo físico de la biosfera de la Tierra, que llamaron Biosfera 2. Observaron la transferencia de energía y los ciclos de la materia dentro de los cuatro sistemas de la Tierra y entre ellos. El objetivo era poner a prueba la capacidad humana de colonizar el espacio. Hoy los científicos usan el predio para realizar experimentos relacionados con el cambio climático, entre otros temas.
La energía en los sistemas de la Tierra
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LEER MÁS A FONDO
Resolver los misterios del interior de la Tierra Durante miles de años, los seres humanos han viajado por la superficie de la Tierra. Con el tiempo, aprendieron mucho sobre la tierra y el mar. Pero gran parte de la Tierra siguió siendo un misterio hasta hace poco. ¿Qué secretos se esconden debajo del exterior rocoso de la Tierra? ¿Qué hay en el centro de la Tierra? Un lugar para la imaginación Las primeras nociones sobre le interior de la Tierra no vinieron de los científicos, sino de los narradores de cuentos. La mitología griega describe un ambiente en llamas en el centro de la Tierra. La mitología vikinga habla de un mundo cubierto de hielo en lo profundo de la Tierra. Las historias sobre el mundo imaginario dentro de la Tierra se volvieron parte de todas las culturas. Sin embargo, hacia el siglo XIX, la ciencia comenzaba a brindar información que echaba luz sobre algunas especulaciones. La novela que escribió Julio Verne en el siglo XIX, titulada Viaje al centro de la Tierra, mezclaba las ciencias con la fantasía. En esta historia, Verne describe un vasto mar en el núcleo de la Tierra, habitado por criaturas prehistóricas terroríficas. Uno de los personajes dice: Permanecemos quietos y atontados por el terror. Avanzan sobre nosotros, cada vez más cerca. Nuestro destino parece certero, pavoroso y terrible. Por un lado, el poderoso cocodrilo, por otro, la gran serpiente marina. La ciencia ha avanzado a pasos agigantados desde los tiempos de Verne. Ahora sabemos que el centro de la Tierra no es hueco, ni está habitado por criaturas prehistóricas. Pero la tecnología ha revelado cuestiones sobre el interior de la Tierra que son tan increíbles como la ficción de Verne.
Para escribir sus clásicas historias, Julio Verne combinó el conocimiento científico de su época con los mitos y las leyendas de la antigüedad para describir lo que existía en el centro de la Tierra.
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Lección 1
El descubrimiento del núcleo sólido de la Tierra A comienzos de la década de 1920, la mayoría de los científicos planteaban la hipótesis de que la Tierra tenía un núcleo de metales derretidos, de la misma temperatura que la lava por lo menos. Este núcleo líquido estaba rodeado por el manto de la Tierra. Luego, en 1929, una científica danesa, la doctora Inge Lehmann, hizo un descubrimiento muy interesante que puso en duda esta idea. Lehmann era geóloga, una científica que estudia de qué está hecha la Tierra y cómo se formó. Estaba estudiando las vibraciones de los terremotos, u ondas sísmicas. Mientras leía informes publicados por estaciones de monitoreo en Rusia, le llamaron la atención unos datos sobre un gran terremoto que había ocurrido en Nueva Zelanda. Algunas de las ondas sísmicas parecían inusuales. En lugar de pasar por un núcleo íntegramente líquido, las ondas sísmicas se doblaban. ¿Por qué se doblaban las ondas? Decidida a resolver el enigma, Lehmann reunió datos sísmicos de estaciones de monitoreo de todo el mundo. Documentó la rapidez con que viajaba cada tipo de onda y la distancia desde el epicentro del terremoto. Los cálculos de Lehmann la llevaron a concluir que una parte del núcleo terrestre era sólida, no líquida. Lehmann determinó que el núcleo de la Tierra tiene dos capas distintivas. El centro es sólido, y la capa que lo recubre es líquida y está rodeada por el manto de la Tierra. Sus conclusiones contradecían las ideas de antaño sobre el núcleo de la Tierra, y recibieron algunas reacciones negativas dentro de la comunidad científica.
La Dra. Inge Lehmann (1888–1993) fue la primera en plantear la hipótesis de que el núcleo de la Tierra estaba compuesto por dos partes: un núcleo sólido rodeado por una capa líquida. Lehmann proporcionó evidencia para su hipótesis mediante el análisis de las ondas sísmicas que viajan por la Tierra.
Sin embargo, en pocos años, se empezó a aceptar la hipótesis de Lehmann. En el transcurso de las décadas siguientes, ella y otros científicos continuaron reuniendo datos sísmicos para entender mejor la naturaleza del núcleo. Finalmente, a comienzos de la década de 1970, con sismógrafos más sensibles y computadoras más avanzadas, se obtuvieron más evidencias de que las conclusiones de Lehmann eran correctas. Sobre la base de su investigación, los científicos ahora creen que el núcleo de la Tierra tiene la temperatura de la superficie del sol y que es un poco más grande que el planeta Marte. Lehmann realizó contribuciones importantes en el campo de la geología, la ciencia que estudia la estructura de la Tierra. Continuó investigando el núcleo y el manto de la Tierra durante su larga carrera. En 1971, la premiaron con la medalla William Bowie, uno de los honores más grandes que puede recibir un geólogo.
La energía en los sistemas de la Tierra
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Una erupción de diamantes
Los xenolitos son rocas envueltas en magma. Algunos tipos de erupciones volcánicas acarrean xenolitos del manto hasta la superficie, donde pueden brindar a los científicos información muy útil sobre el manto de la Tierra.
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Lección 1
Aprender cualquier cosa sobre la estructura interna de la Tierra ha demostrado ser un desafío inmenso. La corteza terrestre, pese a ser la más fina de las capas, tiene aproximadamente 35 kilómetros de espesor. Por suerte, la Tierra a veces revela secretos sobre su manto durante las erupciones volcánicas. En algunas erupciones, pueden aparecer unas rocas llamadas xenolitos junto con el magma. Los xenolitos son fragmentos de roca que el magma envolvió y transportó desde su lugar de origen. La erupción más reciente que incluyó xenolitos ocurrió hace unos veinte millones de años en Australia. Otras erupciones de ese tipo son aún más antiguas. Se cree que algunos xenolitos son parte del manto terrestre, y brindan pistas importantes a los científicos sobre su composición. Esto es especialmente cierto en el caso de los xenolitos que contienen diamantes. Algunos de estos diamantes se formaron alrededor de pequeñas partes del manto de la Tierra. Los diamantes solo se forman con una temperatura y una presión extremadamente altas. Los científicos calculan que las pequeñas piezas de manto que se encuentran dentro de los diamantes tienen entre 2 y 3 mil millones de años y vienen de la profundidad del manto, a unos 700 km debajo de la superficie de la Tierra. Pero por más valiosos que sean los xenolitos, no pueden reemplazar a las muestras de rocas que no han estado sujetas a una erupción volcánica o a la meteorización que ocurre en la superficie de la Tierra. La cuestión es cómo se puede hacer para tomar muestras directamente del manto.
Excavar en busca de respuestas Cavar un pozo profundo en la Tierra no parece ser muy difícil. Después de todo, los ingenieros perforan rocas sólidas para construir túneles. Sin embargo, el problema es que excavar decenas de kilómetros a través de la corteza terrestre hasta llegar al manto es un proceso mucho más difícil y lleva muchísimo más tiempo. Uno de los primeros intentos de cavar hasta el manto tuvo lugar entre 1958 y 1966, cuando científicos e ingenieros estadounidenses sumergieron por primera vez una excavadora a 3,566 m de profundidad, hasta un área del suelo oceánico donde la corteza era relativamente fina. Cavaron casi 183 m pero solo pudieron recoger muestras de roca de la corteza. A pesar de que los científicos e ingenieros estadounidenses no lograron su objetivo, otros científicos volvieron a intentarlo un tiempo después. Científicos soviéticos volvieron a hacer el intento en el norte de la península de Kola a fines de la década de 1970. Después de cavar durante 20 años, lograron perforar apenas 12 km en la corteza, lejísimos del manto. Científicos del Programa Internacional de Descubrimiento del Océano (IODP por sus siglas en inglés) comenzaron a excavar hacia el manto en 2015. La locación era un área de corteza inusualmente fina en el océano Índico llamada banco Atlántida. El objetivo era excavar 1.3 km en la corteza terrestre, casi la mitad de camino para llegar al manto en este punto. Hacia enero de 2016, sin embargo, los científicos solo habían logrado excavar 789 m. Aún así, pudieron recoger muestras de la corteza profunda, y eso les brindó información valiosa. Los científicos piensan retomar las excavaciones en futuras expediciones, con la esperanza de alcanzar el manto algún día. ◆
Excavar en la corteza es una tarea ardua y lenta. En el sitio de perforación de la península de Kola, que se muestra a la derecha, llevó más de 20 años excavar un pozo de apenas 12 km: menos de la mitad de camino hasta el manto.
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En el Cuaderno interactivo del estudiante: • Pensarás en lo que ya sabes. • Tomarás notas a partir de la lectura. • Anotarás lo que descubras en cada investigación. • Mostrarás lo que has aprendido. Al final del año escolar, ¡podrás volver a mirar las páginas de tu cuaderno para recordar todo lo que exploraste en ciencias!
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SISTEMAS DE LA TIERRA
CUADERNO INTERACTIVO
La energía en los sistemas de la Tierra O B S E R VA R F E N Ó M E N O S
Fenómeno: Cuando el fondo de un tanque de agua se calienta, el agua caliente se eleva, se enfría y desciende otra vez. 1. ¿Qué preguntas tienes sobre este fenómeno?
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CUADERNO INTERACTIVO INVESTIGACIÓN 1
1. ¿Qué piensas que está sucediendo aquí? Simulación 1
Simulación 2
2. ¿Qué componentes de los cuatro sistemas participan? Simulación 1
2
La energía en los sistemas de la Tierra
Simulación 2
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CUADERNO INTERACTIVO
3. ¿Observas que algún tipo de materia se mueve? Simulación 1
Simulación 2
4. ¿Cómo crees que la energía mueve esa materia? Simulación 1
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Simulación 2
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CUADERNO INTERACTIVO 1 - La geosfera
1. ¿Qué es la geosfera?
2. ¿Cuáles son las tres partes principales de la geosfera?
3. ¿Cómo se transfiere la energía del núcleo de la Tierra a través de la geosfera?
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CUADERNO INTERACTIVO INVESTIGACIÓN 2
1. Observe la corriente de convección del modelo durante 5 minutos y registre tus observaciones en la tabla de datos. Intervalo de tiempo:
0 min
1 min
2 min
5 min
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CUADERNO INTERACTIVO
2. ¿Qué cambios observaste en el modelo? Agrega detalles a tu explicación y asegúrate de indicar en qué momento observaste cada cambio.
3. ¿Cuál es la causa de cada cambio?
4. ¿Toda el agua del recipiente se vio afectada por el cambio, o los cambios, que observaste?
5. ¿Qué sucedió con la densidad del agua durante cada cambio?
6. Un proceso es una serie de pasos. La convección es un proceso que ocurre en muchos sistemas de la Tierra. ¿Cómo resumirías el proceso de convección?
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CUADERNO INTERACTIVO 2 - La hidrosfera
1. ¿Qué fuentes de energía y qué procesos energéticos impulsan la circulación de agua en los océanos de todo el mundo?
2. ¿Cuánta agua de la hidrosfera es agua dulce y cuánta es agua salada?
3. ¿Cuánta de toda el agua dulce del mundo se halla en los glaciares, el agua subterránea y los lagos y ríos?
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CUADERNO INTERACTIVO INVESTIGACIÓN 3
1. ¿Qué tipos de materia se pueden encontrar en este sistema?
2. ¿De qué formas se transfiere la energía?
3. ¿Cuáles son las fuentes probables de esa energía?
4. ¿Qué tipo de cambio produce en la materia el flujo de energía en este sistema?
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CUADERNO INTERACTIVO
5. ¿Qué tipos de materia es probable encontrar en este sistema?
6. ¿De qué formas se transfiere la energía?
7. ¿Cuáles son las fuentes probables de esa energía?
8. ¿Qué tipo de cambio produce en la materia el flujo de energía en este sistema?
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CUADERNO INTERACTIVO
9. ¿Qué tipos de materia es probable encontrar en este sistema?
10. ¿De qué maneras se transfiere la energía?
11. ¿Cuáles son las fuentes probables de esa energía?
12. ¿Qué tipo de cambio produce en la materia el flujo de energía en este sistema?
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CUADERNO INTERACTIVO
13. ¿Qué tipos de materia es probable encontrar en este sistema?
14. ¿De qué maneras se transfiere la energía?
15. ¿Cuáles son las fuentes probables de esa energía?
16. ¿Qué tipo de cambio produce en la materia el flujo de energía en este sistema?
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CUADERNO INTERACTIVO 3 - La atmósfera
1. ¿Cuáles son los cuatro gases que forman la mayor parte de la atmósfera de la Tierra, y en qué porcentajes están presentes?
2. ¿Qué interacciones crean patrones meteorológicos en la Tierra?
4 - La biosfera
1. ¿Mediante qué proceso circula la materia de un organismo a otro en la biosfera?
2. ¿Cómo fluye la energía del sol a través de una cadena alimenticia? Completa el diagrama con los siguientes términos para mostrar el flujo de energía de principio a fin. • Herbívoros • Descomponedores • Productores • Carnívoros
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CUADERNO INTERACTIVO 5 - Hacer un modelo de la biosfera de la Tierra
1. ¿Por qué los científicos construyeron la Biosfera 2?
2. ¿Cómo funcionaban los componentes de la Biosfera 2?
3. ¿Qué observaron los científicos mientras la Biosfera 2 estaba en funcionamiento?
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CUADERNO INTERACTIVO COMPRENDER LOS FENÓMENOS
Fenómeno: Cuando el fondo de un tanque de agua se calienta, el agua caliente se eleva, se enfría y desciende otra vez. 1. Usa lo que aprendiste para explicar este fenómeno.
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