La ciencia de la Tierra o geociencia incluye todos los campos de las ciencias naturales relacionados con el planeta Tierra. [1] Se trata de una rama de la ciencia que se ocupa de las constituciones complejas físicas, químicas y biológicas y de los vínculos sinérgicos de las cuatro esferas de la Tierra: la biosfera , la hidrosfera / criosfera , la atmósfera y la geosfera (o litosfera ). La ciencia de la Tierra puede considerarse una rama de la ciencia planetaria , pero con una historia mucho más antigua.
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La geología es, en términos generales, el estudio de la estructura, la sustancia y los procesos de la Tierra. La geología es en gran medida el estudio de la litosfera , o la superficie de la Tierra, incluidas la corteza y las rocas . Incluye las características físicas y los procesos que ocurren en la litosfera, así como la forma en que se ven afectados por la energía geotérmica . Incorpora aspectos de la química, la física y la biología a medida que interactúan los elementos de la geología. La geología histórica es la aplicación de la geología para interpretar la historia de la Tierra y cómo ha cambiado con el tiempo.
La geoquímica estudia los componentes químicos y los procesos de la Tierra. La geofísica estudia las propiedades físicas de la Tierra. La paleontología estudia el material biológico fosilizado en la litosfera. La geología planetaria estudia la geociencia en lo que respecta a los cuerpos extraterrestres. La geomorfología estudia el origen de los paisajes. La geología estructural estudia la deformación de las rocas para producir montañas y tierras bajas. La geología de recursos estudia cómo se pueden obtener recursos energéticos a partir de los minerales. La geología ambiental estudia cómo la contaminación y los contaminantes afectan el suelo y la roca. [2] La mineralogía es el estudio de los minerales e incluye el estudio de la formación de minerales, la estructura cristalina , los peligros asociados con los minerales y las propiedades físicas y químicas de los minerales. [3] La petrología es el estudio de las rocas, incluida la formación y composición de las rocas. La petrografía es una rama de la petrología que estudia la tipología y la clasificación de las rocas. [4]
La tectónica de placas , las cadenas montañosas , los volcanes y los terremotos son fenómenos geológicos que se pueden explicar en términos de procesos físicos y químicos en la corteza terrestre. [6] Debajo de la corteza terrestre se encuentra el manto que se calienta por la desintegración radiactiva de elementos pesados . El manto no es del todo sólido y consiste en magma que está en un estado de convección semiperpetua. Este proceso de convección hace que las placas litosféricas se muevan, aunque lentamente. El proceso resultante se conoce como tectónica de placas. [7] [8] [9] [10] Las áreas de la corteza donde se crea nueva corteza se denominan límites divergentes , aquellas en las que se devuelve a la Tierra son límites convergentes y aquellas en las que las placas se deslizan una sobre otra, pero no se crea ni destruye nuevo material litosférico, se denominan límites transformantes (o conservativos). [8] [10] [11] Los terremotos son resultado del movimiento de las placas litosféricas y a menudo ocurren cerca de límites convergentes donde partes de la corteza son empujadas hacia la tierra como parte de la subducción. [12]
La tectónica de placas puede considerarse como el proceso por el cual la Tierra renueva su superficie. Como resultado de la expansión del fondo marino , se crea una nueva corteza y litosfera por el flujo de magma desde el manto hasta la superficie cercana, a través de fisuras, donde se enfría y se solidifica. A través de la subducción , la corteza oceánica y la litosfera regresan vehementemente al manto convectivo. [8] [10] [13] Los volcanes son el resultado principalmente de la fusión del material de la corteza subducida. El material de la corteza que es forzado a entrar en la astenosfera se derrite, y una parte del material derretido se vuelve lo suficientemente ligero como para subir a la superficie, dando origen a los volcanes. [8] [12]
La ciencia atmosférica se desarrolló inicialmente a fines del siglo XIX como un medio para pronosticar el clima a través de la meteorología , el estudio del clima. La química atmosférica se desarrolló en el siglo XX para medir la contaminación del aire y se expandió en la década de 1970 en respuesta a la lluvia ácida . La climatología estudia el clima y el cambio climático . [14]
La troposfera , la estratosfera , la mesosfera , la termosfera y la exosfera son las cinco capas que componen la atmósfera de la Tierra. El 75% de la masa de la atmósfera se encuentra dentro de la troposfera, la capa más baja. En total, la atmósfera está compuesta por aproximadamente un 78,0% de nitrógeno , un 20,9% de oxígeno y un 0,92% de argón , y pequeñas cantidades de otros gases, incluidos CO2 y vapor de agua. [15] El vapor de agua y el CO2 hacen que la atmósfera de la Tierra capte y retenga la energía del Sol a través del efecto invernadero . [16] Esto hace que la superficie de la Tierra sea lo suficientemente cálida para el agua líquida y la vida. Además de atrapar el calor, la atmósfera también protege a los organismos vivos al proteger la superficie de la Tierra de los rayos cósmicos . [17] El campo magnético , creado por los movimientos internos del núcleo, produce la magnetosfera que protege la atmósfera de la Tierra del viento solar . [18] Como la Tierra tiene 4.500 millones de años, [19] [20] ya habría perdido su atmósfera si no existiera una magnetosfera protectora.
El campo magnético de la Tierra , también conocido como campo geomagnético, es el campo magnético que se extiende desde el interior de la Tierra hacia el espacio, donde interactúa con el viento solar , una corriente de partículas cargadas que emana del Sol . El campo magnético es generado por corrientes eléctricas debido al movimiento de corrientes de convección de una mezcla de hierro fundido y níquel en el núcleo externo de la Tierra : estas corrientes de convección son causadas por el calor que escapa del núcleo, un proceso natural llamado geodinamo .
La magnitud del campo magnético de la Tierra en su superficie varía de 25 a 65 μT (0,25 a 0,65 G). [23] Como aproximación, está representado por un campo de un dipolo magnético actualmente inclinado en un ángulo de aproximadamente 11° con respecto al eje de rotación de la Tierra , como si hubiera una enorme barra magnética colocada en ese ángulo a través del centro de la Tierra. El polo geomagnético Norte representa en realidad el polo Sur del campo magnético de la Tierra y, a la inversa, el polo geomagnético Sur corresponde al polo norte del campo magnético de la Tierra (porque los polos magnéticos opuestos se atraen y el extremo norte de un imán, como la aguja de una brújula, apunta hacia el campo magnético Sur de la Tierra, Isla Ellesmere , Nunavut , Canadá).
Aunque los polos magnéticos Norte y Sur suelen estar situados cerca de los polos geográficos, se mueven lenta y continuamente en escalas de tiempo geológicas, pero lo suficientemente lento como para que las brújulas ordinarias sigan siendo útiles para la navegación. Sin embargo, a intervalos irregulares que promedian varios cientos de miles de años, el campo magnético de la Tierra se invierte y los polos magnéticos Norte y Sur , respectivamente, cambian de lugar abruptamente. Estas inversiones de los polos geomagnéticos dejan un registro en las rocas que es de valor para los paleomagnetistas en el cálculo de los campos geomagnéticos en el pasado. Esta información, a su vez, es útil para estudiar los movimientos de los continentes y los fondos oceánicos. La magnetosfera se extiende por encima de la ionosfera que se define por la extensión del campo magnético de la Tierra en el espacio o geoespacio . Se extiende varias decenas de miles de kilómetros en el espacio , protegiendo a la Tierra de las partículas cargadas del viento solar y los rayos cósmicos que de otro modo destruirían la atmósfera superior, incluida la capa de ozono que protege a la Tierra de la dañina radiación ultravioleta .
La hidrología es el estudio de la hidrosfera y el movimiento del agua en la Tierra . Enfatiza el estudio de cómo los humanos usan e interactúan con los suministros de agua dulce. El estudio del movimiento del agua está estrechamente relacionado con la geomorfología y otras ramas de las ciencias de la Tierra. La hidrología aplicada involucra la ingeniería para mantener los ambientes acuáticos y distribuir los suministros de agua. Las subdisciplinas de la hidrología incluyen oceanografía , hidrogeología , ecohidrología y glaciología . La oceanografía es el estudio de los océanos. [24] La hidrogeología es el estudio de las aguas subterráneas . Incluye el mapeo de los suministros de agua subterránea y el análisis de los contaminantes de las aguas subterráneas. La hidrogeología aplicada busca prevenir la contaminación de las aguas subterráneas y los manantiales minerales y hacer que estén disponibles como agua potable . La primera explotación de los recursos de agua subterránea se remonta al 3000 a. C., y la hidrogeología como ciencia fue desarrollada por hidrólogos a partir del siglo XVII. [25] La ecohidrología es el estudio de los sistemas ecológicos en la hidrosfera . La ecohidrología se puede dividir en el estudio físico de los ecosistemas acuáticos y el estudio biológico de los organismos acuáticos. La ecohidrología incluye los efectos que los organismos y los ecosistemas acuáticos tienen entre sí, así como la forma en que estos ecosistemas se ven afectados por los seres humanos. [26] La glaciología es el estudio de la criosfera, incluidos los glaciares y la cobertura de la Tierra por hielo y nieve. Las preocupaciones de la glaciología incluyen el acceso al agua dulce glacial, la mitigación de los peligros glaciales, la obtención de recursos que existen debajo de la tierra congelada y el abordaje de los efectos del cambio climático en la criosfera. [27]
La ecología es el estudio de la biosfera . Esto incluye el estudio de la naturaleza y de cómo los seres vivos interactúan con la Tierra y entre sí y las consecuencias de ello. Considera cómo los seres vivos utilizan recursos como el oxígeno , el agua y los nutrientes de la Tierra para mantenerse. También considera cómo los humanos y otras criaturas vivientes provocan cambios en la naturaleza. [28]
La geografía física es el estudio de los sistemas de la Tierra y cómo interactúan entre sí como parte de un sistema único e independiente. Incorpora la astronomía, la geografía matemática, la meteorología, la climatología, la geología, la geomorfología, la biología, la biogeografía, la pedología y la geografía de los suelos. La geografía física es distinta de la geografía humana , que estudia las poblaciones humanas en la Tierra, aunque sí incluye los efectos humanos sobre el medio ambiente. [29]
Las metodologías varían según la naturaleza de los temas estudiados. Los estudios suelen clasificarse en una de tres categorías: observacionales, experimentales o teóricos. Los científicos de la Tierra suelen realizar análisis informáticos sofisticados o visitar un lugar interesante para estudiar fenómenos terrestres (por ejemplo, la Antártida o cadenas de islas con puntos calientes ).
Una idea fundamental en las ciencias de la Tierra es la noción de uniformismo , que afirma que "las características geológicas antiguas se interpretan mediante la comprensión de los procesos activos que se observan fácilmente". En otras palabras, todos los procesos geológicos que funcionan en el presente han funcionado de la misma manera a lo largo del tiempo geológico. Esto permite a quienes estudian la historia de la Tierra aplicar el conocimiento de cómo funcionan los procesos de la Tierra en el presente para comprender cómo ha evolucionado y cambiado el planeta a lo largo de la historia.
En las ciencias de la Tierra, es común conceptualizar la superficie de la Tierra como compuesta de varias capas distintas, a menudo denominadas esferas: la litosfera , la hidrosfera , la atmósfera y la biosfera . Este concepto de esferas es una herramienta útil para comprender la superficie de la Tierra y sus diversos procesos [30] que corresponden a las rocas , el agua , el aire y la vida . Algunos también incluyen la criosfera (que corresponde al hielo ) como una porción distinta de la hidrosfera y la pedosfera (que corresponde al suelo ) como una esfera activa e entremezclada. Los siguientes campos de la ciencia generalmente se clasifican dentro de las ciencias de la Tierra:
