Friday, August 15, 2008



LA TIERRA

Vivimos en un planeta bastante pequeño, el tercero alrededor del Sol en el único sistema de planetas que se sabe definitivamente que existe, aunque es probable que sistemas similares sean comunes en el universo. La forma de la Tierra es casi esférica, como la de todos los planetas y las estrellas, la cual es resultado de la atracción gravitacional mutua que jala su material hacia un centro común. A diferencia de los planetas externos, mucho más grandes, que están formados principalmente de gas, la Tierra es sobre todo roca, con tres cuartas partes de su superficie cubiertas por una capa relativamente delgada de agua y todo el planeta envuelto por una capa tenue de aire.

En ambos lados del planeta, se forman abultamientos en la capa de agua debido a la atracción gravitacional de la Luna y el Sol, produciendo mareas altas aproximadamente dos veces al día en la orilla de los océanos. También se producen protuberancias similares en la capa de aire.
De todos los planetas y las lunas diversas en el sistema solar, solamente la Tierra parece ser capaz de sostener la vida en la forma como se conoce. La fuerza gravitacional de la masa del planeta es suficiente para mantenerla en la atmósfera. Esta envoltura delgada de gases surgió como resultado de condiciones físicas cambiantes en la superficie de la Tierra y la evolución de la vida vegetal, y es parte integral del ecosistema planetario. Alterar la concentración de los gases componentes naturales de la atmósfera, o agregar otros 3 nuevos, puede tener serias consecuencias sobre los sistemas de vida de la Tierra.

La distancia de la Tierra al Sol asegura que la energía alcance al planeta a un índice suficiente para mantener la vida, pero no tan rápido como para que el agua se evapore o no se formen las moléculas necesarias para la vida. El agua existe en la Tierra en las formas líquida, sólida y gaseosa, hecho poco común entre los planetas, los otros están tan cercanos al Sol que están demasiado calientes, o tan lejanos, que están demasiado fríos.

El movimiento de la Tierra y su posición respecto al Sol y la Luna tienen efectos notables. Debido a la inclinación del eje terrestre, la revolución de un año de la Tierra alrededor del Sol cambia directamente la manera en que la luz del Sol incide en una u otra parte de la Tierra. Esta diferencia en calentamiento de partes distintas de la superficie de la Tierra produce las variaciones estaciónales en clima. La rotación del planeta sobre su eje cada 24 horas produce un ciclo planetario de noche y día y (para los observadores en la Tierra) hace que parezca como si el Sol, los planetas, las estrellas y la Luna estuvieran girando alrededor de la Tierra. La combinación del movimiento de la Tierra y el de la Luna, en su órbita alrededor de aquélla, una vez aproximadamente en 28 días, da por resultado las fases lunares (con base en el cambio de ángulo en el cual se observa el lado iluminado de la Luna por la luz del Sol).

La Tierra posee diversos patrones climáticos, los cuales consisten en diferentes condiciones de temperatura, precipitación, humedad, viento, presión del aire y otros fenómenos atmosféricos. Estos patrones resultan de la interrelación de muchos factores. La fuente básica de energía es el calentamiento de la tierra, el océano y el aire por la radiación solar. La transferencia de energía calorífica en las interfases de la atmósfera con la tierra y los océanos produce capas a diferentes temperaturas en el aire y los océanos. Estas ascienden, descienden o se mezclan, dando lugar a vientos y corrientes oceánicas que transportan la energía calorífica entre las regiones cálidas y frías. La rotación de la Tierra curva el flujo de los vientos y las comentes marinas, los cuales se desvían aún más por la forma del planeta.

El ciclo del agua, en el que este liquido entra y sale de la atmósfera, desempeña un papel importante en la determinación de los patrones climáticos evaporación de la superficie, ascensión y enfriamiento, condensación en nubes y después en nieve o lluvia, y precipitación otra vez a la superficie, en donde se colecta en ríos, lagos y capas porosas de rocas. También hay grandes áreas en la superficie de la Tierra cubiertas de una capa gruesa de hielo (como la Antártida), la cual interactúa con la atmósfera y los océanos e incide sobre las variaciones climáticas en el ámbito mundial.

Los climas de la Tierra han cambiado radicalmente y se espera que lo sigan haciendo, sobre todo debido a los efectos de alteraciones geológicas, como el avance o el retroceso de los glaciares durante siglos o por enormes erupciones volcánicas en poco tiempo. Pero, incluso algunos cambios relativamente pequeños del contenido atmosférico o de la temperatura de los océanos, si duran mucho tiempo, pueden tener serias repercusiones en el clima.

La Tierra tiene muchos recursos de gran importancia para la vida de los seres humanos. Algunos de ellos son fácilmente renovables, otros se pueden renovar pero a un alto costo y otros más no son renovables. El planeta contiene una gran variedad de minerales, cuyas propiedades dependen de la historia de cómo se formaron, así como de los elementos de que se componen. La abundancia de estos minerales puede ser rara o ilimitada, pero la dificultad de extraerlos del ambiente es un aspecto tan importante como su abundancia. Una gran variedad de minerales constituyen fuentes de materiales básicos para la industria, tal es el caso del hierro, el aluminio, el magnesio y el cobre. Muchas de las fuentes más importantes se han ido agotando, haciendo cada vez más difícil y caro obtenerlos.

El agua dulce es un recurso esencial para la vida diaria y los procesos industriales. Se obtiene de ríos y lagos y del manto que se desplaza debajo de la superficie de la Tierra. Esta agua subterránea, la cual constituye una fuente importante para muchas personas, se ha acumulado al paso de un tiempo prolongado hasta alcanzar las cantidades que ahora se están usando. En algunos lugares se está agotando con suma rapidez. Además, muchas fuentes de agua dulce no se pueden utilizar debido a que están contaminadas.

El viento, las mareas y la radiación solar están disponibles de manera continua y pueden captarse para brindar fuentes de energía. En principio, los océanos, la atmósfera, los suelos, las criaturas marinas y los árboles son recursos renovables. Sin embargo, puede ser sumamente caro limpiar el aire y el agua contaminados, restablecer los bosques y las zonas de pesca destruida, o restaurar o preservar los suelos erosionados debido al manejo deficiente de las áreas destinadas a la agricultura. Aunque los océanos y la atmósfera son muy grandes y tienen una gran capacidad para absorber y reciclar materiales de manera natural, tienen sus límites. Poseen una capacidad finita para resistir el cambio sin generar alteraciones ecológicas mayores, que también pueden tener efectos adversos sobre las actividades humanas.

PROCESOS QUE LE DAN FORMA A LA TIERRA

El núcleo de la Tierra es caliente, está sometido a alta presión debido al peso de las capas suprayacentes y es más denso que su corteza rocosa. Las fuerzas internas del planeta causan cambios continuos en su superficie. La corteza sólida incluidos los continentes y las cuencas de los océanos consiste en secciones separadas que descansan en una capa caliente semisólida. Las placas de la corteza se desplazan sobre esta capa más blanda más o menos una pulgada o más por año chocando en algunos sitios y apartándose en otros. En el lugar de colisión, las placas de la corteza terrestre se pueden raspar en sus extremos o comprimir la tierra en pliegues que más tarde se convierten en cadenas montañosas (como las montañas Rocosas y los montes del Himalaya); o bien, una placa puede deslizarse bajo la otra y hundirse más en la tierra. A lo largo de los límites entre las placas que chocan, los sismos sacuden y rompen la superficie de la Tierra, y las erupciones volcánicas liberan roca fundida desde abajo, lo cual también forma montañas.

En donde las placas se separan por abajo de los continentes la tierra se hunde para formar amplios valles. Cuando la separación ocurre en las regiones delgadas de las placas que subyacen en las cuencas de los océanos, las rocas derretidas manan y constituyen fondos oceánicos cada vez más amplios. La actividad volcánica a lo largo de estas separaciones en medio del océano puede construir montañas submarinas, las cuales llegan a ser más altas que las que se encuentran en la superficie terrestre en ocasiones salen de la superficie del agua y forman islas en medio de los océanos (como Hawai).

Las olas, el viento, el agua y el hielo esculpen la superficie de la Tierra para producir accidentes geográficos distintos. Los ríos y el hielo glacial se llevan el suelo y fracturan las rocas, depositando finalmente los materiales en sedimentos o transportándolos en solución al mar. Algunos de estos efectos ocurren con rapidez y otros muy lentamente. Por ejemplo, muchas de las características de la superficie de la Tierra pueden rastrearse en la actualidad hasta el movimiento de avance y retroceso de los glaciares en gran parte del hemisferio norte durante un periodo que duró más de un millón de años. En contraste, el litoral puede cambiar casi de la noche a la mañana en la medida que las olas erosionan las costas y los vientos desplazan los materiales sueltos de la superficie y los depositan en otra parte.

Elementos como el carbón, el oxígeno, el nitrógeno vuelven y el azufre se reciclan lentamente a través de la tierra, los océanos y la atmósfera, cambiando sus localizaciones y combinaciones químicas. Los minerales se hacen, se disuelven y se n a formar sobre la superficie de la Tierra, en los océanos y en las capas calientes de alta presión que se encuentran debajo de la corteza. Los sedimentos de arena y conchas de organismos muertos se van enterrando gradualmente, se consolidan con los minerales disueltos, convirtiéndose a la larga nuevamente en roca sólida. Las rocas sedimentarias profundas pueden sufrir cambios por presión o calor, fundiéndose y volviendo a cristalizar en diferentes tipos de roca.

Las capas de roca enterrada se pueden impulsar de nuevo hacia arriba hasta convertirse en superficie terrestre e incluso formar montañas. Miles y miles de capas de roca sedimentaria atestiguan la larga historia de la Tierra y de formas de vida cambiantes cuyos vestigios se encuentran en capas sucesivas de roca.

Las plantas y los animales modifican la forma del paisaje de diversas maneras. La composición y la consistencia del suelo, y consecuentemente su fertilidad y resistencia a la erosión, reciben en gran medida la influencia de las raíces y restos de plantas, bacterias y hongos, que agregan material orgánico al suelo, y de insectos, gusanos y animales de madriguera, que lo desmenuzan. La presencia de vida también ha alterado la atmósfera terrestre. Las plantas absorben el dióxido de carbono del aire, utilizan el carbono para sintetizar azúcares y liberar oxígeno. Este proceso es el que explica la presencia de oxígeno en el aire actualmente.

Los accidentes geográficos, el clima y los recursos de la superficie de la Tierra afectan el lugar y la forma de vida de las personas, así como la manera en que se ha desarrollado la historia humana. Al mismo tiempo, las actividades humanas han cambiado la superficie terrestre, los océanos y la atmósfera. Por ejemplo, la reducción de la cantidad de bosques que cubren la superficie de la Tierra ha provocado un incremento importante en el dióxido de carbono atmosférico, que puede conducir a su vez a un aumento en la temperatura promedio de la atmósfera y la superficie terrestres. El humo y otras sustancias que se desprenden de la actividad humana interactúan químicamente con la atmósfera y producen efectos indeseables, como esmog, lluvia ácida y tal vez un incremento en la nociva radiación ultravioleta que penetra en la atmósfera. La agricultura intensiva ha desnudado la tierra de vegetación y humus, creando prácticamente desiertos en algunas partes del mundo.

ESTRUCTURA DE LA MATERIA

Las cosas del mundo físico parecen estar hechas de una variedad asombrosa de materiales, que difieren mucho en forma, densidad, flexibilidad, textura, dureza y color; en su capacidad para emitir, absorber, desviar o reflejar la luz; en la forma en que se comportan a diferentes temperaturas; en sus respuestas entre sí, y en cientos de otras formas. Sin embargo, a pesar de las apariencias, todo está constituido en realidad de una cantidad mínima de tipos de materiales básicos combinados de diversos modos; se sabe que existen unos cien en la actualidad los elementos químicos y sólo unos cuantos de ellos son abundantes en el universo. Cuando dos o más sustancias interactúan para formar otras nuevas, como sucede en la combustión, digestión, corrosión y cocción, los elementos componentes se combinan de maneras distintas. En tales recombinaciones, las propiedades de las combinaciones nuevas pueden ser muy diferentes de las sustancias originales. Un tipo especialmente importante de reacción entre las sustancias incluye la combinación del oxígeno con algo más, como sucede en la combustión o la oxidación.

La premisa básica de la teoría moderna de la materia es que los elementos constan de muy pocos tipos de átomos diferentes partículas tan pequeñas que no se pueden observar en un microscopio que se unen en distintas configuraciones para formar sustancias. Hay una o más pero nunca muchas clases de estos átomos para cada uno de los aproximadamente cien elementos.

Existen patrones distintos de propiedades entre los elementos. Hay grupos de éstos que tienen propiedades similares, incluyendo los metales altamente reactivos, los metales menos reactivos, los elementos no metálicos muy reactivos (como el cloro, el flúor, y el oxígeno), y algunos gases casi completamente no reactivos (como el helio y el neón). Algunos elementos no encajan en ninguna de estas categorías; entre ellos se encuentran el carbono y el hidrógeno, componentes esenciales de la materia viva. Cuando los elementos se disponen en una lista en orden por la masa de sus átomos, aparecen secuencias similares de propiedades una y otra vez en la lista.

Cada átomo está compuesto de un núcleo central cargado positivamente sólo una fracción muy pequeña del volumen del átomo, pero contiene la mayor parte de su masa, rodeado por una nube de electrones mucho más ligeros con carga negativa. El número de electrones en un átomo que va desde uno hasta casi cien define el número de partículas cargadas, o protones, en el núcleo, y determina la forma en que el átomo se unirá a otros átomos para formar moléculas. Las partículas eléctricamente neutras (neutrones) que se encuentran en el núcleo se agregan a la masa de éste, pero no afectan el número de electrones y, por tanto, casi no tienen efecto sobre las uniones del átomo con otros átomos (su comportamiento químico). Por ejemplo, un bloque de carbono puro está constituido de dos tipos, o isótopos, de átomos de carbono que difieren algo en masa pero que tienen propiedades químicas casi idénticas. Los científicos siguen investigando los átomos y han descubierto incluso constituyentes más pequeños que componen los electrones, neutrones y protones.

Cada sustancia puede existir en varios estados diferentes, dependiendo de la temperatura y la presión. Así como el agua puede existir en forma de hielo, agua y vapor, todas las sustancias salvo unas cuantas pueden tomar también las formas sólida, líquida y gaseosa. Cuando la materia se enfría lo suficiente, los átomos o las moléculas se anclan en un lugar, en una forma más o menos ordenada, para constituir sólidos. Aumentar la temperatura significa incrementar la energía cinética promedio de los átomos. Así, si aumenta la temperatura, los átomos y las moléculas se agitan más y se separan ligeramente; esto es, el material se expande. A temperaturas más altas, los átomos y las moléculas se agitan aún más y se pueden deslizar unos sobre otros manteniendo sus enlaces laxos, como sucede en el estado líquido. A temperaturas aún más altas, la agitación de los átomos y las moléculas supera la atracción entre ellas y pueden moverse libremente alrededor, interactuando sólo cuando están muy cercanas; por lo general se separan unas de otras para constituir un estado gaseoso.

Cuando la temperatura aumenta todavía más, la energía de las colisiones descompone todas las moléculas en átomos, al tiempo que impacta los electrones y los aleja de los átomos, produciendo iones. A temperaturas extremadamente altas, los núcleos de los átomos pueden estar tan cerca durante las colisiones que resultan afectados por las poderosas fuerzas nucleares internas, y pueden ocurrir reacciones nucleares.

La disposición de los electrones más externos en un átomo determina el modo en que éste se puede unir a otros y formar materiales. Los enlaces se forman entre los átomos cuando los electrones son transferidos de un átomo a otro, o cuando los electrones se comparten más o menos entre ellos. Dependiendo de qué tipo de enlace se lleve a cabo, los átomos se pueden unir en mezclas caóticas, en moléculas distintas que tienen un número y configuración uniforme de átomos, o en los patrones repetidos simétricamente de las disposiciones cristalinas. Las configuraciones moleculares pueden ser tan simples como pares de átomos idénticos (tal es el caso de las moléculas de oxígeno) o tan complejas como cadenas plegadas y enlaces cruzados de miles de átomos de largo (como las moléculas de proteína y ADN). Las formas exactas de estas moléculas complejas constituyen un factor crítico en la manera en que interactúan entre sí. Los arreglos cristalinos pueden ser enteramente regulares o estar permeados con irregularidades de composición y estructura. Las pequeñas diferencias en composición y estructura pueden dar materiales con propiedades muy distintas.

La configuración de los electrones en los átomos determina qué reacciones pueden ocurrir entre estos últimos, cuánta energía se requiere para hacer que suceda la reacción, y cuánta energía se libera en ella. Los índices a los cuales ocurren las reacciones en un gran conjunto de átomos dependen en gran medida de la frecuencia con la que los reactivos se encuentran uno con otro; por tanto, dependen de su concentración y de la rapidez con que se mueven, es decir, de la temperatura. Los índices de reacción se pueden afectar en gran medida por concentraciones muy pequeñas de algunos átomos y moléculas que se unen a las sustancias que van a reaccionar en una forma que la posiciona adecuadamente para unirse entre sí, o las cuales tienen un estado excitado que puede transferir la cantidad correcta de energía para que suceda la reacción. En particular, las reacciones que ocurren en soluciones acuosas pueden afectarse de manera significativa por la acidez de la solución.

Cada uno de los elementos que constituyen las sustancias conocidas consiste en sólo unos cuantos isótopos que aparecen de manera natural. La mayor parte de otros posibles isótopos de cualquier elemento son inestables y, si llegan a formarse, tarde o temprano se desintegrarán en algún isótopo de otro elemento (que por sí mismo puede ser inestable). La desintegración incluye la emisión de partículas y radiación del núcleo, esto es, radiactividad. En los materiales de la Tierra, hay pequeñas proporciones de algunos isótopos radiactivos que quedaron de la formación original de elementos pesados en las estrellas. Algunos se formaron en épocas más recientes debido a impactos de partículas nucleares provenientes del espacio, o a partir de la desintegración nuclear de otros isótopos. Juntos, estos isótopos producen un bajo nivel de radiación de fondo en el ambiente general.

No es posible predecir cuándo se va a desintegrar un núcleo inestable. Se puede determinar solamente qué fracción de un conjunto de núcleos idénticos tienen la posibilidad de desintegrarse en un periodo determinado. La vida media de un isótopo inestable es el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los núcleos en cualquier muestra de ese isótopo; las vidas medias de isótopos diferentes van de menos de una millonésima de segundo hasta muchos millones de años. La vida media de cualquier isótopo particular es constante y no se ve afectada por condiciones físicas, como presión y temperatura. Por tanto, la radiactividad se puede utilizar para estimar el paso del tiempo, midiendo la fracción de núcleos que ya se han desintegrado. Por ejemplo, la fracción de un isótopo inestable de vida media larga que permanece en una muestra de roca, puede utilizarse para estimar cuánto tiempo hace que se formó dicha roca.




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