Tema 3 Ciencias: La Tierra en el Universo; Tierra, aire y agua

 La geosfera corresponde a la porción sólida del planeta. Para saber su estructura y composición hemos de recurrir a métodos indirectos: 

• El estudio de las ondas sísmicas.
• El estudio de los meteoritos que caen a nuestro planeta.

El estudio de las ondas sísmicas, las ondas P (primarias) y S (secundarias) nos da información de cómo está formado el interior de la Tierra.

Su velocidad depende de las propiedades y el estado físico de los materiales que atraviesen. Así:

• Las ondas P se transmiten en sólidos y líquidos.
• Las S sólo en materiales sólidos.

El estudio de los meteoritos nos habla la composición que puede tener el interior de la tierra. 

El estudio conjunto de estas ondas y  el análisis de la composición de los meteoritos, nos permiten dividir la Tierra en tres capas: 

• núcleo (la más interna) formado por hierro y níquel.El núcleo externo se encuentra parcialmente fundido , debido a las altas temperaturas existentes (lo sabemos porque las ondas S dejan de transmitirse), y otra interna sólida, debido a la enorme presión que soporta (lo sabemos porque las ondas P aumentan su velocidad).
• manto (capa intermedia). Formado por materiales sólidos, más densos en el interior (manto inferior) y menos hacia el exterior (manto superior). Es una capa muy activa ya que se producen fenómenos de convección de materiales: materiales calientes ascienden desde el núcleo, pudiendo alcanzar la superficie y, al enfriarse, descienden de nuevo hacia el interior. 

Se crea un movimiento cíclico de materia llamado ciclo de convección. Este movimiento de materia produce el desplazamiento de los continentes y todo lo que esto lleva asociado: terremotos, vulcanismo, creación de islas y cordilleras, etc.

Ciclo de convección

• corteza (la capa más externa).Es la capa más externa, la que está en contacto con la atmósfera. Es más gruesa en la zona de los continentes y más delgada en los océanos. Es una zona geológicamente muy activa ya que aquí se manifiestan los procesos internos, pero también se dan los procesos externos (erosión, transporte y sedimentación). 

Imagen de J. Kemp en Wikimedia Commons bajo Dominio Público

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La atmósfera es la capa gaseosa que envuelve a la Tierra. Está formada principalmente por nitrógeno (78%) y oxígeno (21%).

Para su estudio se divide en capas: 

• Troposfera:Es la zona de las nubes y los fenómenos climáticos: lluvias, vientos, cambios de temperatura, etc. En la troposfera la temperatura va disminuyendo conforme se va subiendo, hasta llegar a -70ºC en su límite superior. Es la capa de más interés para la ecología ya que es la capa donde se desarrolla la vida.

• Estratosfera:En esta capa no hay movimiento de aire en dirección vertical, en cambio los vientos horizontales pueden llegar a alcanzar los 200 km/hora, lo que facilita que cualquier sustancia que llegue a la estratosfera se difunda por todo el globo con rapidez, que es lo que sucede con los CFC que destruyen el ozono. En la estratosfera se suele distinguir una zona en la que la concentración de ozono es relativamente alta. A esta zona se le conoce como ozonosfera. El ozono juega un papel muy importante para la vida en el planeta, absorbiendo gran parte de la dañina radiación ultravioleta de onda corta.

• Mesosfera:Es la zona más fría de la atmósfera, pudiendo alcanzar los −80 °C. Es importante por la ionización y las reacciones químicas que ocurren en ella.

• Termosfera o ionosfera y Exosfera: En ellas el aire está tan enrarecido que la densidad es muy baja. Son los lugares en donde se producen las auroras boreales y en donde se reflejan las ondas de radio. Su funcionamiento afecta muy poco a los seres vivos.

Capas de la atmósfera

La presión atmosférica es el peso de la columna de aire sobre un punto. Su valor cambia según el punto de la atmósfera en que nos encontremos. Esta diferencia de presiones, junto con las diferentes temperaturas del aire provoca la aparición de borrascas (zona de bajas presiones) y anticiclones (zona de altas presiones).

Este video te ayudará a comprender mejor la diferencia entre borrasca y anticiclón.

Para representar la presión atmosférica en los mapas se recurre a unas líneas que marcan puntos de igual presión llamadas isobaras: suelen ser líneas cerradas y concéntricas, que dibujan “valles” (bajas presiones), y “crestas” (altas presiones).

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La hidrosfera es la parte de la Tierra ocupada por los océanos, mares, ríos, lagos y demás masas y corrientes de agua.

Molécula de agua H2O

La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno y sus principales propiedades son:

• El agua pura es un líquido incoloro, transparente, inodoro e insípido que a nivel del mar hierve a 100 ºC y se congela a 0 ºC.
• Gracias a sus cargas eléctricas disuelve un gran número de sustancias.
• Es indispensable para la existencia de vida puesto que todas las reacciones químicas necesarias para que se realicen las tres funciones vitales de los organismos (nutrición, reproducción y relación) se dan en el medio acuoso.
• Presenta una gran resistencia a cambiar de temperatura, por la que los océanos son un gran estabilizador térmico, lo que tiene gran influencia en el clima (las grandes masas de agua de los océanos tardan más tiempo en calentarse y enfriarse que el suelo terrestre).
• Se expande al congelarse, es decir aumenta de volumen, de ahí que la densidad del hielo sea menor que la del agua y por ello el hielo flota en el agua líquida. Esto provoca que los océanos, los lagos y los ríos se congelen empezando por la superficie actuando como un aislante térmico, la capa de hielo que se forma protege a los seres vivos que habitan en el fondo. El agua del fondo queda resguardada del frío exterior, presentando temperaturas de entre 4 y 5ºC, lo que permite la supervivencia de ciertas especies.

En la Tierra, el 97% del agua es salada (en océanos y mares) y solo el 3% es dulce y se consume y produce constantemente en un ciclo continuo.

Imagen de F. Vallés en INTEF bajo licencia CC

Los oceános. Olas y mareas

Su profundidad media es de unos cuatro o cinco kilómetros que comparados con los miles de km que abarcan nos hacen ver que son delgadas capas de agua sobre la superficie del planeta.

Hace años se pensaba que el fondo oceánico era como la playa: una capa arenosa en una llanura inmensa bajo las aguas, pero durante la 2ª guerra mundial, el estudio de los fondos para facilitar la tarea de los submarinos cambió el concepto: el fondo marino está muy accidentado: montes submarinos, llanuras abisales, dorsales oceánicas, etc.

FONDO MARINO

El Sol es el motor de todos los procesos externos de la Tierra. Calienta y enfría zonas produciendo el movimiento de masas de aire y agua para contrarrestar esas diferencias: en la atmósfera, vientos y en el mar, evaporación, corrientes y olas.

Olas

Los vientos producen ondas en la superficie del agua. Esas ondas reciben el nombre de olas y no suponen transporte neto de agua, sino que se trata de movimientos circulares del agua que se van transmitiendo.

Es un caso curioso: cómo un movimiento longitudinal, (el del viento), provoca en el agua un movimiento circular, (las olas). Un movimiento aparente que no supone desplazamiento del agua, sino sólo eso, movimientos circulares que se van transmitiendo hacia delante y hacia abajo, (aunque hacia abajo pierden intensidad rápidamente).

Imagen de Anton en Wikimedia Commons bajo licencia CC

Las olas son las responsables de la forma de la costa y su principal efecto es alinearla, es decir, desgastar los salientes y rellenar los entrantes. Por eso, su principal acción erosiva se da sobre los promontorios mientras que en las bahías su efecto es de sedimentación, (Playas).

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Mareas

Las mareas son movimientos del agua del mar que no están promovidos por el calor del Sol. Se deben a la atracción gravitatoria de la Luna y del Sol sobre los océanos. La Luna es mucho menor que el Sol pero también está mucho más cerca de la Tierra, por eso, su atracción sobre ésta es más del doble que la ejercida por el Sol.

En la siguiente imagen puedes observar los efectos de marea de la Luna y del Sol. Fíjate en la diferencia de atracción. Las acciones de la Luna y el Sol pueden sumarse o restarse, dando lugar a mareas vivas y muertas respectivamente.

Imagen en el Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Autorizado su uso por declaración expresa en su web.

Cuando se se suman las acciones de Sol y Luna se producen las mareas vivas y cuando se restan las mareas muertas.

Imagen en Wikimedia Commonsbajo licencia CC

Las corrientes marinas son provocadas por la diferencia de salinidad entre distintas zonas de los océanos con el objeto de equilibrar el conjunto de la concentración de sal en éstos.

Importancia de las corrientes en el clima

Imaginemos por un momento que la Tierra no tuviese ni atmósfera ni mares, como ocurre con otros planetas: las zonas cálidas serían muchísimo más cálidas al no poder eliminar el calor sobrante, y las zonas frías serían terriblemente frías al no recibir tanta insolación, de modo que únicamente habría una pequeña zona en cada hemisferio con unas temperaturas medias.

El papel de las corrientes de las masas fluidas en la Tierra, el aire y el agua, es fundamental para repartir el calor y mantener la temperatura del planeta en condiciones aptas para la vida, sin que las zonas con insolación sean tan cálidas ni las zonas con baja insolación sean tan frías. 

En el caso de los océanos, una variación sensible de la salinidad, por ejemplo reduciéndose al derretirse el agua dulce de los polos, tendría una influencia muy notable en el clima, pues alteraría las corrientes y, por lo tanto, la regulación de la temperatura.

Estados de agregación. Mezclas y disoluciones

 LOS ÁTOMOS

Los átomos son los componentes básicos de la materia y están divididos en corteza (donde se encuentran los electrones) y núcleo (formado por los protones y neutrones).

En un átomo neutro el número de protones y electrones es el mismo.

Al número de protones de un átomo se le llama número atómico (Z) y es el mismo para todos los átomos del mismo tipo.

A la suma del número de protones y en número de neutrones de un átomo se le llama número másico (A) y puede ser distinto incluso en átomos del mismo tipo. Esos átomos con el mismo Z y distinto A se dice que son isótopos.

Por ejemplo, en la imagen se representa un átomo de carbono 14, que tiene 6 protones y 8 neutrones. Su número másico es, por tanto, 6 + 8 = 14.

Las moléculas son agrupaciones de un número determinado de átomos del mismo o de distinto tipo.

Las moléculas se representan mediante una fórmula en la que se indica qué tipo de átomos la forman y cuántos átomos de cada tipo contiene.

Así, por ejemplo, la molécula de agua se representa como H2O, dos átomos de hidrógenos y uno oxígeno.

El comportamiento de las partículas (átomos o moléculas) que forman un cuerpo es explicado por el modelo cinético-molecular:

• Las partículas que forman un cuerpo ejercen fuerzas unas sobre otras.

• Las partículas que forman un cuerpo no están juntas. Entre ellas hay espacio vacío.

• Las partículas que forman un cuerpo están en incesante movimiento, tanto más deprisa cuanta mayor es la temperatura del cuerpo.

La materia puede estar en tres estados de agregación, según el tipo de partículas que la formen y la temperatura a la que se encuentre.

En cada estado de agregación la materia tiene propiedades diferentes y sus moléculas se comportan de forma diferente:

Los sólidos	Los líquidos	Los gases
Tienen forma y volumen propios. No pueden comprimirse ni expandirse. No son fluidos, no se derraman.	Tienen volumen propio y adoptan la forma del recipiente que los contiene. No pueden comprimirse ni expandirse. Son fluidos, se derraman con mayor o menor facilidad, según lo viscosos que sean.	Adoptan la forma y el volumen del recipiente que los contiene. Se pueden comprimir y se expanden. Son muy fluidos, se derraman con mucha facilidad (incluso hacia arriba)

Calentado o enfriando un cuerpo lo suficiente, se puede conseguir que el cuerpo cambie de estado. Los cambios de estado quedan resumidos en la siguiente imagen:

Imagen de UAwiki en Wikimedia Commons. Dominio público

Sustancias puras y mezclas

A la hora de clasificar la materia se suele hacer dividiéndola en sustancias puras y mezclas. 

Las sustancias puras tienen una composición fija e invariable, poseen propiedades características y no pueden descomponerse en otras más elementales por procedimientos físicos sencillos.

Las sustancias puras las podemos clasificar a su vez en elementos (formadas por un solo tipo de átomos) y compuestos (formados por varios tipos de átomos combinados químicamente).

Compuestos: Glucosa: C6H12O6, Cloruro de hidrógeno: HCl, Agua: H2O

Las mezclas se forman cuando se juntan varias sustancias pero sin reaccionar químicamente. 

Las mezclas se pueden clasificar en homogéneas o disoluciones (misma composición y mismo aspecto en todas partes) y heterogéneas (se distinguen los componentes a simple vista).

Actividad

Cambios químicos

Una reacción química es un proceso por el cual una o más sustancias, llamadas reactivos, desaparecen y aparecen otras sustancias con propiedades diferentes que se denominan productos.

A las reacciones que desprenden energía, se les denomina exotérmicas, y a las que necesitan energía para que se realicen, endotérmicas.

El número total de átomos de cada elemento en los reactivos tiene que ser igual al número total de átomos de cada elemento en los productos. Conseguir que esto sea así es lo que se llama ajustar una reacción química.

2 C₄H₁₀ + 13 O₂ → 8 CO₂ + 10 H₂O + calor (energía)

La característica más importante de las reacciones químicas es que la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos, esto se conoce como "La ley de conservación de la masa de Lavoisier"

Ejemplos de cambios químicos

Oxidaciones: son reacciones entre una molécula y oxígeno. Como ejemplo tenemos la oxidación del hierro.

Las combustiones son reacciones de oxidación entre el oxígeno de la atmósfera y las moléculas del combustible. Los productos son dióxido de carbono y agua, además de liberarse la energía que estaba almacenada en los enlaces de las moléculas del combustible

La lluvia ácida, responsable de la destrucción de bosques, suelos y de la vida en lagos, es debida a reacciones químicas que tienen lugar en la atmósfera entre ciertos gases contaminantes y el agua.

Para saber más: https://edea.juntadeandalucia.es/bancorecursos/items/2148ba75-e03a-48a1-9058-dcc7b50a415f/1/viewscorm.jsp?.vi=file

Cambios físicos

Un cambio físico es una transformación en la que no varía la naturaleza de la materia, es decir, las sustancias no se transforman en otras diferentes, y por tanto, mantienen todas sus propiedades y características.

Un cambio físico es reversible si la materia puede recuperar su forma inicial, como cuando estiramos una goma del pelo e irreversible si no puede recuperar su forma inicial. Es lo que sucede cuando rompemos un objeto de cristal.

Ejemplos de cambios físicos

1.Cambios de estado

La absorción o el desprendimiento de energía son responsables tanto de los cambios de estado como de las contracciones y dilataciones; todos ellos, cambios físicos.

2.Mezclas

Las disoluciones son mezclas homogéneas de varias sustancias. A las sustancias que forman una disolución se les llama componentes.

• Al componente que se encuentra en mayor proporción se le denomina disolvente y determina el estado de la disolución (sólido, líquido y gaseoso)
• Al que se encuentra en menor cantidad se le denomina soluto.

Tipos de disoluciones

En la siguiente tabla se resumen los tipos de soluciones, con su nombre y ejemplos:

Disolvente	Soluto	Ejemplos
Sólido	Sólido	Aleaciones de metales: acero (hierro y carbono)
	Líquido	Amalgamas (mercurio + metal)
	Gas	Carbono activo y los gases absorbidos por él.
Líquido	Sólido	Agua del mar, agua y azúcar
	Líquido	agua y alcohol
	Gas	Bebidas con gas
Gas	Sólido	Humo
	Líquido	Niebla
	Gas	Aire

De forma cualitativa podemos determinar la concentración de una disolución: cuando en una disolución hay muy poco soluto, la disolución es diluida; si la proporción de soluto es considerable se dice que es concentrada y si ya hemos alcanzado la máxima cantidad de soluto que se puede disolver, la disolución está saturada.

De forma cuantitativa podemos expresar la concentración de una disolución de varias formas. Tres de ellas son las siguientes:

• Concentración en % en masa: es la cantidad de gramos del componente que encontramos en 100 g de disolución.  

• Concentración en % en volumen: es la cantidad de mililitros del componente que encontramos en 100 ml de disolución.

• Concentración en gramos por litro: es la cantidad de gramos del componente que encontramos en un litro de disolución.

ACTIVIDAD

MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS

Los componentes de las mezclas heterogéneas se pueden separar por medios mecánicos (filtración, atracción magnética o tamizado) y los de las mezclas homogéneas por medio de cambios de estado.

Mezclas de sólidos
Tamizado	Separación magnética

Mezcla de líquidos

Si la mezcla es de líquidos, usamos un método diferente según los líquidos se mezclen bien o no:

Mezclas de líquidos
Decantación	Destilación
Líquidos que no se mezclan bien, con densidades distintas, uno flota sobre el otro y permite su separación.	Líquidos bien mezclados, pero con distintos puntos de ebullición, el que primero hierva es el primero que se evapora, se condensa y cae en el matraz.

Mezcla de sólidos en líquidos

Si la mezcla es de sólidos en líquidos se pueden usar muchos métodos:

Mezclas de sólidos y líquidos
Filtración	Sedimentación	Evaporación, cristalización
En la membrana queda retenido el sólido y el líquido lo atraviesa y cae al matraz.	Se deja reposar y el sólido se va depositando en el fondo.	Al evaporarse el agua bien de forma natural (salinas) o calentando, queda la sal en el fondo en cristales, separada.

Importante

Los componentes de las mezclas heterogéneas se pueden separar por medios mecánicos (filtración, atracción magnética o tamizado) y los de las mezclas homogéneas por medio de cambios de estado.

ACTIVIDADES PARA ENTREGAR