El futuro biológico y geológico de la Tierra se puede extrapolar basándose en los efectos estimados de varias influencias a largo plazo. Estas incluyen la química en la superficie de la Tierra , la tasa de enfriamiento del interior del planeta , las interacciones gravitacionales con otros objetos del Sistema Solar y un aumento constante de la luminosidad del Sol . Un factor incierto es la influencia generalizada de la tecnología introducida por los humanos, como la ingeniería climática , [2] que podría causar cambios significativos en el planeta. [3] [4] Por ejemplo, la actual extinción del Holoceno [5] está siendo causada por la tecnología, [6] y los efectos pueden durar hasta cinco millones de años. [7] A su vez, la tecnología puede resultar en la extinción de la humanidad , dejando que el planeta regrese gradualmente a un ritmo evolutivo más lento resultante únicamente de procesos naturales a largo plazo. [8] [9]
En intervalos de tiempo de cientos de millones de años, los eventos celestes aleatorios plantean un riesgo global para la biosfera , que puede resultar en extinciones masivas . Estos incluyen impactos de cometas o asteroides y la posibilidad de una supernova cercana a la Tierra , una explosión estelar masiva dentro de un radio de 100 años luz (31 parsec ) del Sol. Otros eventos geológicos a gran escala son más predecibles. La teoría de Milankovitch predice que el planeta continuará atravesando períodos glaciares al menos hasta que la glaciación cuaternaria llegue a su fin. Estos períodos son causados por las variaciones en la excentricidad , la inclinación axial y la precesión de la órbita de la Tierra. [10] Como parte del ciclo de supercontinentes en curso , la tectónica de placas probablemente dará como resultado un supercontinente en 250-350 millones de años. En algún momento de los próximos 1.5-4.5 mil millones de años, la inclinación axial de la Tierra puede comenzar a sufrir variaciones caóticas, con cambios en la inclinación axial de hasta 90°. [11]
La luminosidad del Sol aumentará de forma constante, lo que provocará un aumento de la radiación solar que llega a la Tierra y dará como resultado una mayor tasa de erosión de los minerales de silicato . Esto afectará al ciclo carbonato-silicato , lo que provocará una disminución del nivel de dióxido de carbono en la atmósfera. En unos 600 millones de años a partir de ahora, el nivel de dióxido de carbono caerá por debajo del nivel necesario para sostener la fotosíntesis de fijación de carbono C 3 utilizada por los árboles. Algunas plantas utilizan el método de fijación de carbono C 4 para persistir en concentraciones de dióxido de carbono tan bajas como diez partes por millón. Sin embargo, la tendencia a largo plazo es que la vida vegetal muera por completo. La extinción de las plantas será la desaparición de casi toda la vida animal, ya que las plantas son la base de gran parte de la cadena alimentaria animal en la Tierra. [12] [13]
En aproximadamente mil millones de años, la luminosidad solar será un 10% mayor, lo que hará que la atmósfera se convierta en un "invernadero húmedo", lo que resultará en una evaporación descontrolada de los océanos. Como consecuencia probable, la tectónica de placas y todo el ciclo del carbono terminarán. [14] Después de este evento, en aproximadamente 2-3 mil millones de años, el dinamo magnético del planeta puede cesar, lo que provocará la descomposición de la magnetosfera y conducirá a una pérdida acelerada de volátiles de la atmósfera exterior. Dentro de cuatro mil millones de años, el aumento de la temperatura superficial de la Tierra causará un efecto invernadero descontrolado , creando condiciones más extremas que las de Venus actual y calentando la superficie de la Tierra lo suficiente como para derretirla. Para ese momento, toda la vida en la Tierra se habrá extinguido. [15] [16] Finalmente, el destino más probable del planeta es la absorción por el Sol en aproximadamente 7.5 mil millones de años, después de que la estrella haya entrado en la fase de gigante roja y se haya expandido más allá de la órbita actual del planeta. [17]
Los humanos desempeñan un papel clave en la biosfera , con la gran población humana dominando muchos de los ecosistemas de la Tierra . [3] [18] Esto ha resultado en una extinción masiva generalizada y continua de otras especies durante la época geológica actual , ahora conocida como la extinción del Holoceno . La pérdida a gran escala de especies causada por la influencia humana desde la década de 1950 se ha llamado crisis biótica , con un estimado del 10% del total de especies perdidas a partir de 2007. [6] Al ritmo actual, alrededor del 30% de las especies están en riesgo de extinción en los próximos cien años. [19] El evento de extinción del Holoceno es el resultado de la destrucción del hábitat , la distribución generalizada de especies invasoras , la caza furtiva y el cambio climático . [20] [21] [22] En la actualidad, la actividad humana ha tenido un impacto significativo en la superficie del planeta. Más de un tercio de la superficie terrestre ha sido modificada por acciones humanas, y los seres humanos utilizan alrededor del 20% de la producción primaria mundial . [4] La concentración de dióxido de carbono en la atmósfera ha aumentado cerca del 50% desde el inicio de la Revolución Industrial . [3] [23]
Se ha pronosticado que las consecuencias de una crisis biótica persistente durarán al menos cinco millones de años. [7] Podría resultar en una disminución de la biodiversidad y homogeneización de las biotas , acompañada de una proliferación de especies oportunistas , como plagas y malezas. Pueden surgir nuevas especies; en particular, los taxones que prosperan en ecosistemas dominados por los humanos pueden diversificarse rápidamente en muchas especies nuevas. Es probable que los microbios se beneficien del aumento de nichos ambientales enriquecidos con nutrientes. No es probable que surjan nuevas especies de grandes vertebrados existentes y las cadenas alimentarias probablemente se acorten. [5] [24]
Existen múltiples escenarios de riesgos conocidos que pueden tener un impacto global en el planeta. Desde la perspectiva de la humanidad, estos pueden subdividirse en riesgos de supervivencia y riesgos terminales . Los riesgos que los humanos plantean a sí mismos incluyen el cambio climático, el mal uso de la nanotecnología , un holocausto nuclear , una guerra con una superinteligencia programada , una enfermedad genéticamente modificada o un desastre causado por un experimento de física. De manera similar, varios eventos naturales pueden representar una amenaza apocalíptica , incluida una enfermedad altamente virulenta , el impacto de un asteroide o un cometa , el efecto invernadero descontrolado y el agotamiento de los recursos . Puede existir la posibilidad de una infestación por una forma de vida extraterrestre . [25] Las probabilidades reales de que ocurran estos escenarios son difíciles, si no imposibles, de deducir. [8] [9]
Si la especie humana se extinguiera, los diversos elementos que la humanidad ha reunido empezarían a decaer. Se estima que las estructuras más grandes tienen una vida media de descomposición de unos 1.000 años. Las últimas estructuras supervivientes probablemente serían minas a cielo abierto, grandes vertederos, grandes autopistas, canales anchos y diques de relleno de tierra. Es posible que unos pocos monumentos de piedra enormes, como las pirámides de la Necrópolis de Giza o las esculturas del Monte Rushmore, sobrevivan de alguna forma después de un millón de años. [9] [a]
A medida que el Sol orbita la Vía Láctea , las estrellas errantes pueden acercarse lo suficiente como para tener una influencia disruptiva en el Sistema Solar . [26] Un encuentro estelar cercano puede causar una reducción significativa en las distancias de perihelio de los cometas en la nube de Oort , una región esférica de cuerpos helados que orbitan a medio año luz del Sol. [27] Un encuentro de este tipo puede provocar un aumento de 40 veces en el número de cometas que llegan al Sistema Solar interior. Los impactos de estos cometas pueden provocar una extinción masiva de la vida en la Tierra. Estos encuentros disruptivos ocurren un promedio de una vez cada 45 millones de años. [28] Hay una probabilidad del 1% cada mil millones de años de que una estrella pase dentro100 UA del Sol, lo que podría perturbar el Sistema Solar. [29] El tiempo medio que tarda el Sol en colisionar con otra estrella en el vecindario solar es de aproximadamente 30 billones (3 × 10 13 ) años, lo que es mucho más que la edad estimada del Universo, de aproximadamente 13.800 millones de años. Esto puede tomarse como una indicación de la baja probabilidad de que tal evento ocurra durante la vida de la Tierra. [30]
La energía liberada por el impacto de un asteroide o cometa con un diámetro de 5 a 10 km (3 a 6 mi) o mayor es suficiente para crear un desastre ambiental global y causar un aumento estadísticamente significativo en el número de extinciones de especies. Entre los efectos nocivos resultantes de un evento de impacto importante se encuentra una nube de eyección de polvo fino que cubre el planeta, impidiendo que parte de la luz solar directa llegue a la superficie de la Tierra, reduciendo así las temperaturas terrestres en unos 15 °C (27 °F) en una semana y deteniendo la fotosíntesis durante varios meses (similar a un invierno nuclear ). Se estima que el tiempo medio entre impactos importantes es de al menos 100 millones de años. Durante los últimos 540 millones de años, las simulaciones demostraron que una tasa de impacto de este tipo es suficiente para causar cinco o seis extinciones masivas y de 20 a 30 eventos de menor gravedad. Esto coincide con el registro geológico de extinciones significativas durante el Eón Fanerozoico . Se puede esperar que tales eventos continúen. [31]
Una supernova es una explosión cataclísmica de una estrella. Dentro de la galaxia de la Vía Láctea , las explosiones de supernova ocurren en promedio una vez cada 40 años. [32] Durante la historia de la Tierra , es probable que hayan ocurrido múltiples eventos de este tipo dentro de una distancia de 100 años luz; conocido como una supernova cercana a la Tierra . Las explosiones dentro de esta distancia pueden contaminar el planeta con radioisótopos y posiblemente impactar la biosfera. [33] Los rayos gamma emitidos por una supernova reaccionan con el nitrógeno en la atmósfera, produciendo óxidos nitrosos . Estas moléculas causan un agotamiento de la capa de ozono que protege la superficie de la radiación ultravioleta (UV) del Sol. Un aumento en la radiación UV-B de solo 10-30% es suficiente para causar un impacto significativo en la vida; particularmente en el fitoplancton que forma la base de la cadena alimentaria oceánica . Una explosión de supernova a una distancia de 26 años luz reducirá la densidad de la columna de ozono a la mitad. En promedio, una explosión de supernova ocurre en un radio de 32 años luz una vez cada varios cientos de millones de años, lo que resulta en un agotamiento de la capa de ozono que dura varios siglos. [34] Durante los próximos dos mil millones de años, habrá alrededor de 20 explosiones de supernovas y un estallido de rayos gamma que tendrán un impacto significativo en la biosfera del planeta. [35]
El efecto incremental de las perturbaciones gravitacionales entre los planetas hace que el Sistema Solar interior en su conjunto se comporte de forma caótica durante largos periodos de tiempo. Esto no afecta significativamente a la estabilidad del Sistema Solar en intervalos de unos pocos millones de años o menos, pero a lo largo de miles de millones de años, las órbitas de los planetas se vuelven impredecibles. Las simulaciones por ordenador de la evolución del Sistema Solar durante los próximos cinco mil millones de años sugieren que existe una pequeña probabilidad (menos del 1%) de que se produzca una colisión entre la Tierra y Mercurio , Venus o Marte . [36] [37] Durante el mismo intervalo, las probabilidades de que la Tierra se disperse fuera del Sistema Solar por el paso de una estrella son del orden de 1 en 100.000 (0,001%). En tal escenario, los océanos se congelarían en estado sólido en varios millones de años, dejando solo unas pocas bolsas de agua líquida a unos 14 km (9 mi) bajo tierra. Existe una remota posibilidad de que la Tierra, en cambio, sea capturada por un sistema estelar binario que pase , lo que permitiría que la biosfera del planeta permanezca intacta. Las probabilidades de que esto ocurra son de aproximadamente 1 en 3 millones. [38]
Las perturbaciones gravitacionales de los demás planetas del Sistema Solar se combinan para modificar la órbita de la Tierra y la orientación de su eje de rotación . Estos cambios pueden influir en el clima planetario. [10] [39] [40] [41] A pesar de estas interacciones, simulaciones de gran precisión muestran que, en general, es probable que la órbita de la Tierra permanezca dinámicamente estable durante miles de millones de años en el futuro. En las 1600 simulaciones, el semieje mayor del planeta , la excentricidad y la inclinación se mantuvieron casi constantes. [42]
Históricamente, ha habido eras de hielo cíclicas en las que las capas glaciares cubrieron periódicamente las latitudes más altas de los continentes. Las eras de hielo pueden ocurrir debido a cambios en la circulación oceánica y la continentalidad inducidos por la tectónica de placas . [43] La teoría de Milankovitch predice que los períodos glaciares ocurren durante las eras de hielo debido a factores astronómicos en combinación con mecanismos de retroalimentación climática. Los impulsores astronómicos primarios son una excentricidad orbital más alta de lo normal , una inclinación axial baja (u oblicuidad) y la alineación del solsticio de verano del hemisferio norte con el afelio . Cada uno de estos efectos ocurre cíclicamente. Por ejemplo, la excentricidad cambia a lo largo de ciclos de tiempo de aproximadamente 100.000 y 400.000 años, con un valor que varía desde menos de 0,01 hasta 0,05. [44] [45] Esto equivale a un cambio del semieje menor de la órbita del planeta del 99,95% del semieje mayor al 99,88%, respectivamente. [46]
La Tierra está atravesando una era glacial conocida como glaciación cuaternaria y actualmente se encuentra en el período interglacial del Holoceno . Normalmente se esperaría que este período terminara en unos 25.000 años. [41] Sin embargo, el aumento de la tasa a la que los humanos liberan dióxido de carbono a la atmósfera puede retrasar el inicio del próximo período glacial hasta al menos 50.000-130.000 años a partir de ahora. Por otro lado, un período de calentamiento global de duración finita (basado en el supuesto de que el uso de combustibles fósiles cesará en el año 2200) probablemente solo afectará al período glacial durante unos 5.000 años. Por lo tanto, un breve período de calentamiento global inducido por unos pocos siglos de emisión de gases de efecto invernadero solo tendría un impacto limitado en el largo plazo. [10]
La aceleración de las mareas de la Luna reduce la velocidad de rotación de la Tierra y aumenta la distancia Tierra-Luna . Los efectos de fricción (entre el núcleo y el manto y entre la atmósfera y la superficie) pueden disipar la energía rotacional de la Tierra. Se espera que estos efectos combinados aumenten la duración del día en más de 1,5 horas durante los próximos 250 millones de años y aumenten la oblicuidad en aproximadamente medio grado. La distancia a la Luna aumentará en aproximadamente 1,5 radios terrestres durante el mismo período. [47]
Según modelos informáticos, la presencia de la Luna parece estabilizar la oblicuidad de la Tierra, lo que puede ayudar al planeta a evitar cambios climáticos dramáticos. [48] Esta estabilidad se logra porque la Luna aumenta la tasa de precesión del eje de rotación de la Tierra, evitando así resonancias entre la precesión de la rotación y la precesión del plano orbital del planeta (es decir, el movimiento de precesión de la eclíptica ). [49] Sin embargo, a medida que el semieje mayor de la órbita de la Luna continúa aumentando, este efecto estabilizador disminuirá. En algún momento, los efectos de perturbación probablemente causarán variaciones caóticas en la oblicuidad de la Tierra, y la inclinación axial puede cambiar en ángulos de hasta 90° desde el plano de la órbita. Se espera que esto ocurra entre 1.5 y 4.5 mil millones de años a partir de ahora. [11]
Una inclinación elevada probablemente provocaría cambios drásticos en el clima y podría destruir la habitabilidad del planeta . [40] Cuando la inclinación axial de la Tierra supera los 54°, la insolación anual en el ecuador es menor que en los polos. El planeta podría permanecer con una inclinación de entre 60° y 90° durante períodos de hasta 10 millones de años. [50]
Los eventos tectónicos seguirán ocurriendo en el futuro y la superficie se remodelará constantemente por el levantamiento tectónico , las extrusiones y la erosión . Se puede esperar que el Monte Vesubio entre en erupción unas 40 veces durante los próximos 1.000 años. Durante el mismo período, deberían ocurrir alrededor de cinco a siete terremotos de magnitud 8 o mayor a lo largo de la falla de San Andrés , mientras que se pueden esperar alrededor de 50 eventos de magnitud 9 en todo el mundo. Mauna Loa debería experimentar alrededor de 200 erupciones durante los próximos 1.000 años, y el géiser Old Faithful probablemente dejará de funcionar. Las cataratas del Niágara continuarán retrocediendo río arriba, llegando a Buffalo en unos 30.000 a 50.000 años. [9] Los eventos supervolcánicos son los peligros geológicos de mayor impacto, generando más de1.000 km 3 de material fragmentado y miles de kilómetros cuadrados cubiertos de depósitos de ceniza. Sin embargo, son relativamente raros, ya que ocurren en promedio cada 100.000 años. [51]
Dentro de 10.000 años, el repunte posglacial del mar Báltico habrá reducido la profundidad en unos 90 m (300 pies). La bahía de Hudson disminuirá su profundidad en 100 m durante el mismo período. [37] Después de 100.000 años, la isla de Hawái se habrá desplazado unos 9 km (5,6 mi) hacia el noroeste. Es posible que para entonces el planeta esté entrando en otro período glacial. [9]
La teoría de la tectónica de placas demuestra que los continentes de la Tierra se mueven a través de la superficie a un ritmo de unos pocos centímetros por año. Se espera que esto continúe, lo que provocará que las placas se reubiquen y colisionen. La deriva continental se ve facilitada por dos factores: la energía generada dentro del planeta y la presencia de una hidrosfera . Con la pérdida de cualquiera de estos, la deriva continental se detendrá. [52] La producción de calor a través de procesos radiogénicos es suficiente para mantener la convección del manto y la subducción de las placas durante al menos los próximos 1.100 millones de años. [53]
En la actualidad, los continentes de América del Norte y del Sur se están desplazando hacia el oeste desde África y Europa. Los investigadores han elaborado varios escenarios sobre cómo continuará esto en el futuro. [54] Estos modelos geodinámicos se pueden distinguir por el flujo de subducción , por el cual la corteza oceánica se mueve bajo un continente. En el modelo de introversión, el océano Atlántico, más joven e interior, se subduce preferentemente y la migración actual de América del Norte y del Sur se invierte. En el modelo de extroversión, el océano Pacífico, más antiguo y exterior, permanece subducido preferentemente y América del Norte y del Sur migran hacia el este de Asia. [55] [56]
A medida que mejore la comprensión de la geodinámica, estos modelos serán objeto de revisión. En 2008, por ejemplo, se utilizó una simulación por ordenador para predecir que se producirá una reorganización de la convección del manto en los próximos 100 millones de años, creando un nuevo supercontinente compuesto por África, Eurasia, Australia, la Antártida y Sudamérica que se formará alrededor de la Antártida. [57]
Independientemente del resultado de la migración continental, el proceso de subducción continua hace que el agua sea transportada al manto. Después de mil millones de años a partir del presente, un modelo geofísico da una estimación de que el 27% de la masa oceánica actual habrá sido subducida. Si este proceso continuara sin modificaciones en el futuro, la subducción y la liberación alcanzarían un equilibrio después de que el 65% de la masa oceánica actual haya sido subducida. [58]
Christopher Scotese y sus colegas han cartografiado los movimientos previstos varios cientos de millones de años en el futuro como parte del Proyecto Paleomap . [54] En su escenario, dentro de 50 millones de años el mar Mediterráneo puede desaparecer, y la colisión entre Europa y África creará una larga cadena montañosa que se extenderá hasta la ubicación actual del Golfo Pérsico. Australia se fusionará con Indonesia y Baja California se deslizará hacia el norte a lo largo de la costa. Pueden aparecer nuevas zonas de subducción frente a la costa oriental de América del Norte y del Sur, y se formarán cadenas montañosas a lo largo de esas costas. La migración de la Antártida hacia el norte hará que todas sus capas de hielo se derritan. Esto, junto con el derretimiento de las capas de hielo de Groenlandia , aumentará el nivel medio del océano en 90 m (300 pies). La inundación interior de los continentes provocará cambios climáticos. [54]
Si este escenario continúa, dentro de 100 millones de años la expansión continental habrá alcanzado su extensión máxima y los continentes comenzarán a fusionarse. En 250 millones de años, América del Norte colisionará con África. América del Sur rodeará el extremo sur de África. El resultado será la formación de un nuevo supercontinente (a veces llamado Pangea Ultima ), con el Océano Pacífico extendiéndose a lo largo de la mitad del planeta. La Antártida invertirá su dirección y regresará al Polo Sur, formando una nueva capa de hielo. [59]
El primer científico que extrapoló los movimientos actuales de los continentes fue el geólogo canadiense Paul F. Hoffman, de la Universidad de Harvard. En 1992, Hoffman predijo que los continentes de América del Norte y del Sur seguirían avanzando a través del océano Pacífico, girando alrededor de Siberia hasta que comenzaran a fusionarse con Asia. Bautizó al supercontinente resultante como Amasia . [60] [61] Más tarde, en la década de 1990, Roy Livermore calculó un escenario similar. Predijo que la Antártida comenzaría a migrar hacia el norte y que África Oriental y Madagascar se moverían a través del océano Índico para colisionar con Asia. [62]
En un modelo de extroversión, el cierre del océano Pacífico se completaría en unos 350 millones de años. [63] Esto marca la finalización del ciclo actual de supercontinentes , en el que los continentes se separan y luego se vuelven a unir aproximadamente cada 400 a 500 millones de años. [64] Una vez que se forma el supercontinente, la tectónica de placas puede entrar en un período de inactividad a medida que la tasa de subducción disminuye en un orden de magnitud . Este período de estabilidad podría causar un aumento en la temperatura del manto a un ritmo de 30 a 100 °C (54 a 180 °F) cada 100 millones de años, que es la vida útil mínima de los supercontinentes pasados. Como consecuencia, la actividad volcánica puede aumentar. [56] [63]
La formación de un supercontinente puede afectar drásticamente al medio ambiente. La colisión de placas dará lugar a la formación de montañas , lo que cambiará los patrones climáticos. Los niveles del mar pueden descender debido al aumento de la glaciación. [65] La tasa de erosión de la superficie puede aumentar, lo que aumenta la velocidad a la que se entierra la materia orgánica. Los supercontinentes pueden provocar una caída de las temperaturas globales y un aumento del oxígeno atmosférico. Esto, a su vez, puede afectar al clima, bajando aún más las temperaturas. Todos estos cambios pueden dar lugar a una evolución biológica más rápida a medida que surgen nuevos nichos . [66]
La formación de un supercontinente aísla el manto. El flujo de calor se concentrará, lo que dará lugar a vulcanismo y a la inundación de grandes áreas con basalto. Se formarán grietas y el supercontinente se dividirá una vez más. [67] El planeta puede experimentar entonces un período de calentamiento como el que se produjo durante el período Cretácico , [66] que marcó la división del anterior supercontinente Pangea .
La región del núcleo rico en hierro de la Tierra se divide en un núcleo interno sólido de 2440 km (1520 mi) de diámetro y un núcleo externo líquido de 6960 km (4320 mi) de diámetro . [68] La rotación de la Tierra crea remolinos convectivos en la región del núcleo externo que hacen que funcione como un dinamo . [69] Esto genera una magnetosfera alrededor de la Tierra que desvía las partículas del viento solar , lo que evita una erosión significativa de la atmósfera por chisporroteo . A medida que el calor del núcleo se transfiere hacia el manto, la tendencia neta es que el límite interno de la región del núcleo externo líquido se congele, liberando así energía térmica y haciendo que el núcleo interno sólido crezca. [70] Este proceso de cristalización del hierro ha estado en curso durante aproximadamente mil millones de años. En la era moderna, el radio del núcleo interno se expande a una tasa promedio de aproximadamente 0,5 mm (0,02 pulgadas) por año, a expensas del núcleo externo. [71] Casi toda la energía necesaria para alimentar el dinamo se suministra mediante este proceso de formación del núcleo interno. [72]
Se espera que el núcleo interno consuma la mayor parte o la totalidad del núcleo externo dentro de 3 a 4 mil millones de años, lo que dará como resultado un núcleo casi completamente solidificado compuesto de hierro y otros elementos pesados . La envoltura líquida sobreviviente estará compuesta principalmente de elementos más ligeros que sufrirán menos mezcla. [73] Alternativamente, si en algún momento la tectónica de placas cesa, el interior se enfriará de manera menos eficiente, lo que ralentizaría o incluso detendría el crecimiento del núcleo interno. En cualquier caso, esto puede resultar en la pérdida del dinamo magnético. Sin un dinamo que funcione, el campo magnético de la Tierra se desintegrará en un período de tiempo geológicamente corto de aproximadamente 10.000 años. [74] La pérdida de la magnetosfera provocará un aumento en la erosión de elementos ligeros, particularmente hidrógeno , desde la atmósfera exterior de la Tierra hacia el espacio, lo que resultará en condiciones menos favorables para la vida. [75]
La generación de energía del Sol se basa en la fusión termonuclear de hidrógeno en helio . Esto ocurre en la región central de la estrella mediante el proceso de reacción en cadena protón-protón . Debido a que no hay convección en el núcleo solar , la concentración de helio se acumula en esa región sin distribuirse por toda la estrella. La temperatura en el núcleo del Sol es demasiado baja para la fusión nuclear de átomos de helio a través del proceso triple-alfa , por lo que estos átomos no contribuyen a la generación de energía neta que se necesita para mantener el equilibrio hidrostático del Sol. [76]
En la actualidad, casi la mitad del hidrógeno del núcleo se ha consumido, y el resto de los átomos consisten principalmente en helio. A medida que disminuye el número de átomos de hidrógeno por unidad de masa, también disminuye la producción de energía que proporcionan a través de la fusión nuclear. Esto da como resultado una disminución de la presión de soporte, lo que hace que el núcleo se contraiga hasta que el aumento de la densidad y la temperatura equilibren la presión del núcleo con las capas superiores. La temperatura más alta hace que el hidrógeno restante se fusione a un ritmo más rápido, generando así la energía necesaria para mantener el equilibrio. [76]
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El resultado de este proceso ha sido un aumento constante de la producción de energía del Sol. Cuando el Sol se convirtió por primera vez en una estrella de secuencia principal , irradiaba solo el 70% de la luminosidad actual . La luminosidad ha aumentado de forma casi lineal hasta el presente, aumentando un 1% cada 110 millones de años. [17] Asimismo, se espera que en tres mil millones de años el Sol sea un 33% más luminoso. El combustible de hidrógeno en el núcleo finalmente se agotará en cinco mil millones de años, cuando el Sol será un 67% más luminoso que en la actualidad. A partir de entonces, el Sol seguirá quemando hidrógeno en una capa que rodea su núcleo hasta que la luminosidad alcance un 121% por encima del valor actual. Esto marca el final de la vida del Sol en la secuencia principal, y luego pasará por la etapa subgigante y evolucionará hacia una gigante roja . [1]
Para entonces, la colisión de las galaxias Vía Láctea y Andrómeda debería estar en marcha. Aunque esto podría provocar que el Sistema Solar fuera expulsado de la galaxia recién fusionada, se considera improbable que tenga algún efecto adverso sobre el Sol o sus planetas. [78] [79]
La tasa de erosión de los minerales de silicato aumentará a medida que las temperaturas en aumento aceleren los procesos químicos. Esto, a su vez, disminuirá el nivel de dióxido de carbono en la atmósfera, ya que las reacciones con los minerales de silicato convierten el gas de dióxido de carbono en carbonatos sólidos . Dentro de los próximos 600 millones de años a partir del presente, la concentración de dióxido de carbono caerá por debajo del umbral crítico necesario para sostener la fotosíntesis de C 3 : alrededor de 50 partes por millón. En este punto, los árboles y los bosques en sus formas actuales ya no podrán sobrevivir. [80] Es probable que este declive en la vida vegetal sea un declive a largo plazo en lugar de una caída brusca. Los grupos de plantas probablemente morirán uno por uno mucho antes de que se alcance el nivel de 50 partes por millón. Las primeras plantas en desaparecer serán las plantas herbáceas C 3 , seguidas de los bosques caducifolios , los bosques de hoja ancha siempreverdes y finalmente las coníferas siempreverdes . [81] Sin embargo, la fijación de carbono C 4 puede continuar en concentraciones mucho más bajas, hasta por encima de las 10 partes por millón; Por lo tanto, las plantas que utilizan la fotosíntesis C4 pueden sobrevivir durante al menos 0,8 mil millones de años y posiblemente hasta 1,2 mil millones de años a partir de ahora, después de lo cual el aumento de las temperaturas hará que la biosfera sea insostenible. [82] [83] [84] Los investigadores de Caltech han sugerido que una vez que las plantas C3 mueran , la falta de producción biológica de oxígeno y nitrógeno causará una reducción en la presión atmosférica de la Tierra, lo que contrarrestará el aumento de la temperatura y permitirá que persista suficiente dióxido de carbono para que continúe la fotosíntesis. Esto permitiría que la vida sobreviva hasta 2 mil millones de años a partir de ahora, momento en el que el agua sería el factor limitante. [85] Actualmente, las plantas C4 representan aproximadamente el 5% de la biomasa vegetal de la Tierra y el 1% de sus especies vegetales conocidas. [86] Por ejemplo, aproximadamente el 50% de todas las especies de gramíneas ( Poaceae ) utilizan la vía fotosintética C4 , [87] al igual que muchas especies de la familia herbácea Amaranthaceae . [88]
Cuando los niveles de dióxido de carbono caen al límite donde la fotosíntesis es apenas sostenible, se espera que la proporción de dióxido de carbono en la atmósfera oscile hacia arriba y hacia abajo. Esto permitirá que la vegetación terrestre florezca cada vez que el nivel de dióxido de carbono aumenta debido a la actividad tectónica y la respiración de la vida animal; sin embargo, la tendencia a largo plazo es que la vida vegetal en la tierra muera por completo a medida que la mayor parte del carbono restante en la atmósfera queda secuestrado en la Tierra. [13] Las plantas, y, por extensión, los animales, podrían sobrevivir más tiempo desarrollando otras estrategias, como requerir menos dióxido de carbono para los procesos fotosintéticos, volverse carnívoros , adaptarse a la desecación o asociarse con hongos . Es probable que estas adaptaciones aparezcan cerca del comienzo del invernadero húmedo (ver más adelante ). [81]
La pérdida de vida vegetal superior resultará en la eventual pérdida de oxígeno, así como de ozono, debido a la respiración de los animales, las reacciones químicas en la atmósfera y las erupciones volcánicas. Los modelos de la disminución de la oxigenación predicen que puede caer al 1% de los niveles atmosféricos actuales en mil millones de años a partir de ahora. [89] Esta disminución resultará en una menor atenuación de los rayos UV que dañan el ADN , [81] así como en la muerte de animales; los primeros animales en desaparecer serían los grandes mamíferos , seguidos de los pequeños mamíferos, las aves, los anfibios y los peces grandes, los reptiles y los peces pequeños, y finalmente los invertebrados . [12]
Antes de que esto ocurra, se espera que la vida se concentre en refugios de temperaturas más bajas, como las grandes elevaciones donde hay menos superficie terrestre disponible, lo que limita el tamaño de las poblaciones. Los animales más pequeños sobrevivirían mejor que los más grandes debido a que necesitan menos oxígeno, mientras que las aves se las arreglarían mejor que los mamíferos gracias a su capacidad de viajar grandes distancias en busca de temperaturas más frías. Según la vida media del oxígeno en la atmósfera, la vida animal duraría como máximo 100 millones de años después de la pérdida de las plantas superiores. [12] Algunas cianobacterias y fitoplancton podrían sobrevivir a las plantas debido a su tolerancia a niveles de dióxido de carbono tan bajos como 1 ppm, y podrían sobrevivir aproximadamente el mismo tiempo que los animales antes de que el dióxido de carbono se agote demasiado para sustentar cualquier forma de fotosíntesis. [12]
En su obra La vida y la muerte del planeta Tierra , los autores Peter D. Ward y Donald Brownlee han argumentado que alguna forma de vida animal puede continuar incluso después de que la mayor parte de la vida vegetal de la Tierra haya desaparecido. Ward y Brownlee utilizan evidencia fósil de Burgess Shale en Columbia Británica, Canadá , para determinar el clima de la Explosión Cámbrica , y la utilizan para predecir el clima del futuro cuando el aumento de las temperaturas globales causado por un sol que se calienta y los niveles de oxígeno en descenso resulten en la extinción final de la vida animal. Inicialmente, esperan que algunos insectos, lagartijas, aves y pequeños mamíferos puedan persistir, junto con la vida marina ; sin embargo, sin la reposición de oxígeno por parte de la vida vegetal, creen que los animales probablemente morirían por asfixia en unos pocos millones de años. Incluso si permaneciera suficiente oxígeno en la atmósfera a través de la persistencia de alguna forma de fotosíntesis, el aumento constante de la temperatura global resultaría en una pérdida gradual de la biodiversidad . [13]
A medida que aumentan las temperaturas, lo último de la vida animal será empujada hacia los polos, posiblemente bajo tierra. Se volverían principalmente activos durante la noche polar , estivando durante el día polar debido al intenso calor. Gran parte de la superficie se convertiría en un desierto árido y la vida se encontraría principalmente en los océanos. [13] Sin embargo, debido a una disminución en la cantidad de materia orgánica que ingresa a los océanos desde la tierra, así como una disminución del oxígeno disuelto , [81] la vida marina también desaparecería, siguiendo un camino similar al de la superficie de la Tierra. Este proceso comenzaría con la pérdida de especies de agua dulce y concluiría con los invertebrados, [12] particularmente aquellos que no dependen de plantas vivas como las termitas o aquellos cerca de respiraderos hidrotermales como los gusanos del género Riftia . [81] Como resultado de estos procesos, las formas de vida multicelulares pueden extinguirse en aproximadamente 800 millones de años, y los eucariotas en 1.3 mil millones de años, dejando solo a los procariotas . [90]
Dentro de mil millones de años, aproximadamente el 27% del océano actual habrá sido subducido al manto. Si se permitiera que este proceso continuara sin interrupciones, alcanzaría un estado de equilibrio en el que el 65% del reservorio superficial actual permanecería en la superficie. [58] Una vez que la luminosidad solar sea un 10% más alta que su valor actual, la temperatura superficial global promedio aumentará a 320 K (47 °C; 116 °F). La atmósfera se convertirá en un "invernadero húmedo" que conducirá a una evaporación descontrolada de los océanos. [91] [92] En este punto, los modelos del futuro medio ambiente de la Tierra demuestran que la estratosfera contendría niveles crecientes de agua. Estas moléculas de agua se descompondrán a través de la fotodisociación por la radiación ultravioleta solar, lo que permitirá que el hidrógeno escape de la atmósfera . El resultado neto sería una pérdida del agua de mar del mundo en aproximadamente 1 a 1.5 mil millones de años a partir del presente, dependiendo del modelo. [93] [94] [95]
Habrá una de dos variantes de esta retroalimentación del calentamiento futuro: el "invernadero húmedo", donde el vapor de agua domina la troposfera mientras que el vapor de agua comienza a acumularse en la estratosfera (si los océanos se evaporan muy rápidamente), y el "invernadero desbocado", donde el vapor de agua se convierte en un componente dominante de la atmósfera (si los océanos se evaporan demasiado lentamente). En esta era sin océanos, seguirá habiendo reservorios superficiales a medida que el agua se libera de manera constante desde la corteza profunda y el manto, [58] donde se estima que hay una cantidad de agua equivalente a varias veces la que está presente actualmente en los océanos de la Tierra. [96] Es posible que se retenga algo de agua en los polos y que haya tormentas ocasionales, pero en su mayor parte, el planeta sería un desierto con grandes campos de dunas que cubrirían su ecuador y unas pocas salinas en lo que alguna vez fue el fondo del océano, similares a las del desierto de Atacama en Chile. [14]
Sin agua que sirva como lubricante, la tectónica de placas probablemente se detendría y los signos más visibles de actividad geológica serían volcanes en escudo ubicados sobre puntos calientes del manto . [92] [81] En estas condiciones áridas, el planeta puede retener algo de vida microbiana y posiblemente incluso multicelular. [92] La mayoría de estos microbios serán halófilos y la vida podría encontrar refugio en la atmósfera como se ha propuesto que sucedió en Venus . [81] Sin embargo, las condiciones cada vez más extremas probablemente conducirán a la extinción de los procariotas entre 1.600 millones de años [90] y 2.800 millones de años a partir de ahora, y los últimos de ellos vivirán en estanques residuales de agua en altas latitudes y alturas o en cavernas con hielo atrapado. Sin embargo, la vida subterránea podría durar más. [12]
Lo que suceda después de esto depende del nivel de actividad tectónica. Una liberación constante de dióxido de carbono por una erupción volcánica podría hacer que la atmósfera entre en un estado de "superinvernadero" como el del planeta Venus . Pero, como se dijo anteriormente, sin agua superficial, la tectónica de placas probablemente se detendría y la mayoría de los carbonatos permanecerían enterrados de forma segura [14] hasta que el Sol se convierta en un gigante rojo y su mayor luminosidad caliente la roca hasta el punto de liberar el dióxido de carbono. [96] Sin embargo, como señalaron Peter Ward y Donald Brownlee en su libro The Life and Death of Planet Earth , según el científico de la NASA Ames Kevin Zahnle, es muy posible que la tectónica de placas se detenga mucho antes de la pérdida de los océanos, debido al enfriamiento gradual del núcleo de la Tierra, lo que podría suceder en solo 500 millones de años. Esto podría potencialmente convertir la Tierra nuevamente en un mundo acuático, e incluso tal vez ahogar toda la vida terrestre restante. [97]
La pérdida de los océanos podría retrasarse hasta 2.000 millones de años en el futuro si la presión atmosférica disminuyera. Una presión atmosférica más baja reduciría el efecto invernadero , bajando así la temperatura de la superficie. Esto podría ocurrir si los procesos naturales eliminaran el nitrógeno de la atmósfera . Los estudios de sedimentos orgánicos han demostrado que al menos 100 kilopascales (0,99 atm ) de nitrógeno se han eliminado de la atmósfera durante los últimos cuatro mil millones de años, lo que es suficiente para duplicar efectivamente la presión atmosférica actual si se liberara. Esta tasa de eliminación sería suficiente para contrarrestar los efectos del aumento de la luminosidad solar durante los próximos dos mil millones de años. [85]
Dentro de 2.800 millones de años, la temperatura superficial de la Tierra habrá alcanzado los 422 K (149 °C; 300 °F), incluso en los polos. En ese momento, toda la vida restante se habrá extinguido debido a las condiciones extremas. Lo que ocurra más allá de eso dependerá de la cantidad de agua que quede en la superficie. Si toda el agua de la Tierra se ha evaporado para ese momento (a través del "invernadero húmedo" que se producirá dentro de 1.000 millones de años), el planeta permanecerá en las mismas condiciones con un aumento constante de la temperatura superficial hasta que el Sol se convierta en una gigante roja. [92] Si no es así y todavía quedan bolsas de agua que se evaporan demasiado lentamente, entonces, en unos 3 o 4 mil millones de años, una vez que la cantidad de vapor de agua en la atmósfera inferior aumente al 40% y la luminosidad del Sol alcance un 35 o 40% más que su valor actual, [93] se producirá un efecto invernadero descontrolado que hará que la atmósfera se caliente y aumente la temperatura de la superficie a unos 1600 K (1330 °C; 2420 °F). Esto es suficiente para derretir la superficie del planeta. [94] [92] Sin embargo, se espera que la mayor parte de la atmósfera se conserve hasta que el Sol haya entrado en la etapa de gigante roja. [98]
Se espera que con la extinción de la vida, dentro de 2.800 millones de años, las biofirmas de la Tierra desaparezcan y sean reemplazadas por firmas causadas por procesos no biológicos. [81]
Una vez que el Sol pase de quemar hidrógeno dentro de su núcleo a quemar hidrógeno en una capa alrededor de su núcleo, el núcleo comenzará a contraerse y la envoltura exterior se expandirá. La luminosidad total aumentará de manera constante durante los siguientes mil millones de años hasta alcanzar 2730 veces su luminosidad actual a la edad de 12 167 millones de años. La mayor parte de la atmósfera de la Tierra se perderá en el espacio. Su superficie consistirá en un océano de lava con continentes flotantes de metales y óxidos metálicos e icebergs de materiales refractarios , con su temperatura superficial alcanzando más de 2400 K (2130 °C; 3860 °F). [99] El Sol experimentará una pérdida de masa más rápida, con aproximadamente el 33% de su masa total desprendida con el viento solar . La pérdida de masa significará que las órbitas de los planetas se expandirán. La distancia orbital de la Tierra aumentará hasta un máximo del 150% de su valor actual (es decir, 1,5 UA (220 millones de km; 140 millones de mi)). [17]
La parte más rápida de la expansión del Sol hacia una gigante roja ocurrirá durante las etapas finales, cuando el Sol tenga unos 12 mil millones de años. Es probable que se expanda para engullir tanto a Mercurio como a Venus, alcanzando un radio máximo de 1,2 UA (180 millones de km ; 110 millones de mi ). La Tierra interactuará marealmente con la atmósfera exterior del Sol, lo que reduciría el radio orbital de la Tierra. El arrastre de la cromosfera del Sol reduciría la órbita de la Tierra. Estos efectos contrarrestarán el impacto de la pérdida de masa del Sol, y es probable que el Sol engulla a la Tierra en unos 7.590 millones de años a partir de ahora. [17]
El arrastre de la atmósfera solar puede hacer que la órbita de la Luna se descomponga. Una vez que la órbita de la Luna se acerque a una distancia de 18.470 km (11.480 mi), cruzará el límite de Roche de la Tierra , lo que significa que la interacción de las mareas con la Tierra rompería la Luna, convirtiéndola en un sistema de anillos . La mayoría de los anillos en órbita comenzarán a desintegrarse y los escombros impactarán con la Tierra. Por lo tanto, incluso si el Sol no se traga a la Tierra, el planeta puede quedar sin luna. [100] Además, la ablación y vaporización causada por su caída en una trayectoria de descomposición hacia el Sol puede eliminar el manto de la Tierra, dejando solo su núcleo, que finalmente será destruido después de un máximo de 200 años. [101] [102] El único legado de la Tierra será un aumento muy leve (0,01%) de la metalicidad solar después de este evento. [103] : IIC
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Después de fusionar el helio de su núcleo con el carbono , el Sol comenzará a colapsar nuevamente y evolucionará hacia una estrella enana blanca compacta después de expulsar su atmósfera exterior como una nebulosa planetaria . La masa final prevista es el 54% del valor actual, y probablemente consista principalmente en carbono y oxígeno. [1]
En la actualidad, la Luna se aleja de la Tierra a un ritmo de 4 cm (1,6 pulgadas) por año. En 50 mil millones de años, si la Tierra y la Luna no son engullidas por el Sol, quedarán atrapadas en una órbita más grande y estable, en la que cada una mostrará solo una cara a la otra. [104] [105] [106] A partir de entonces, la acción de las mareas del Sol extraerá momento angular del sistema, lo que hará que la órbita de la Luna se deteriore y la rotación de la Tierra se acelere. [107] En unos 65 mil millones de años, se estima que la Luna puede colisionar con la Tierra, debido a que la energía restante del sistema Tierra-Luna será absorbida por el Sol remanente, lo que hará que la Luna se mueva lentamente hacia el interior, en dirección a la Tierra. [108]
Más allá de este punto, el destino final de la Tierra (si sobrevive) depende de lo que suceda. En una escala de tiempo de 10 15 (1 cuatrillón) de años, los planetas restantes del Sistema Solar serán expulsados del sistema por encuentros cercanos con otros remanentes estelares, y la Tierra continuará orbitando a través de la galaxia durante unos 10 19 años antes de ser expulsada o caer en un agujero negro supermasivo . Si la Tierra no es expulsada durante un encuentro estelar, entonces su órbita se desintegrará a través de la radiación gravitatoria hasta que colisione con el Sol en 10 20 (100 quintillones) de años. [109] Si puede ocurrir la desintegración de protones y la Tierra es expulsada al espacio intergaláctico, entonces durará alrededor de 10 38 (100 undecillones) de años antes de evaporarse en radiación. [110]
