Sistema Terrestre

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Ciencias Terrestres
Sistema Terrestre
Esferas
Un sistema es un conjunto de elementos interrelacionados entre sí, donde existe cierta
cohesión y hay unidad de propósito. Algunos ejemplos de sistemas son: el Sistema
Circulatorio, el Sistema de los Números Reales, el Sistema Solar y el Sistema Terrestre.
En el primero algunos de los elementos son: corazón, arterias, venas, válvulas; y el
elemento que sirve de cohesión es la sangre bombeada por el corazón a todos los
elementos del sistema. Todos los elementos trabajan juntos para mantener vivo al
organismo. En el Sistema de los Números Reales todos los elementos tienen que cumplir
con ciertas operaciones matemáticas para pertenecer a ese conjunto. En el Sistema Solar
la fuerza gravitacional del Sol y la radiación solar son el elemento unificador del
sistema.
El Sistema Terrestre se compone de cuatro elementos: la atmosfera, la hidrosfera, la
litosfera y la biosfera. La cohesión de las cuatro esferas conforma al planeta Tierra. Si
quitamos una esfera dejaría de ser el planeta que conocemos. Por ejemplo si quitamos la
hidrosfera y la biosfera, este planeta se parecería al planeta Marte. En la siguiente tabla
mostramos los que contiene cada esfera.
Esfera
Atmosfera
Hidrosfera
Litosfera
Biosfera
Contiene:
Todo el aire y los aerosoles.
Toda el agua líquida.
Toda la superficie helada, dura, sólida de
la Tierra, el material semisólido debajo de
la corteza.
Toda la vida en la Tierra:
microorganismos, plantas y animales.
Las esferas están interrelacionadas entre sí, o sea conforman un sistema. Cualquier
evento en el Sistema Terrestre genera cambio en todas ellas.
Eventos
El maremoto del 26 de diciembre del 2004 en Sumatra, Indonesia es un claro ejemplo de
cómo un evento puede afectar dramáticamente al Sistema Terrestre. Primero la energía
de un terremoto de magnitud 9.3 generado en la litosfera al oeste de Sumatra, fue
suficiente para desplazar hacia la corteza submarina unos metros hacia abajo provocando
que la columna de agua descendiera por la misma cantidad. Esa perturbación de la
hidrosfera se propaga como una ola de agua profunda de más de 60 cm de altura que al
llegar a la costa se transforma en una ola de 10 m de altura. El maremoto se dispersa por
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todo el Océano Global afectando las costas (litosfera) de los países en la cuenca del
Océano Indico. Incluso la energía de la ola llegó a la costa sur de Puerto Rico como una
ola de unos pocos centímetros. En la isla de Sumatra la ola devastó áreas grandes de la
costa. Destruyó a la biosfera del lugar: arboles, plantas, animales, seres humanos. La
descomposición de la materia viva genera grandes cantidades de gases tales como
dióxido de carbono y metano, afectando el presupuesto local de gases en la atmosfera.
Similarmente, otros eventos pueden afectar a las cuatro esferas, tales como: la erupción
de volcanes, el derretimiento del hielo perenne en Antártica o Groenlandia, el
blanqueamiento de corales, la destrucción de la capa de ozono, etc. No obstante, otros
eventos de aparente menor escala también pueden afectar al Sistema Terrestre tales
como: la quema de basura, el desperdicio de la energía eléctrica, el acumulamiento de
desperdicios sólidos, la falta de reciclaje de materiales, el uso de ciertos materiales
químicos, etc. En los últimos veinte años los científicos nos han alertado de que el
cúmulo de ciertas actividades humanas es responsable de alterar a escala global al
Sistema Terrestre. El cambio climático demuestra que las acciones individuales al
sumarse pueden tener consecuencias globales y dramáticas sobre nuestras vidas.
Interrelaciones entre las esferas
Arriba discutimos que las cuatro esferas del Sistema Terrestre pueden ser afectadas
simultáneamente por un evento. Un evento como una erupción volcánica violenta en
una isla, puede afectar directamente a cada una de las esferas. Por ejemplo, la ceniza
expulsada a la atmósfera se convierte en un aerosol; la lava se derrama desde el cono a
lo largo de una ladera, se enfría y genera nueva litosfera; se desprende una ladera del
volcán y se desliza hacia el mar provocando un mega-tsunami; la nube de material
piroclástico mata toda la vida a cinco millas alrededor del volcán. El evento anterior
demuestra el impacto directo a cada esfera, pero no es el mejor para mostrar la conexión
e interrelación entre las esferas.
Una forma de demostrar la interrelación entre las esferas es mediante el examen de los
ciclos. Los ciclos representan el continuo intercambio de materia entre las esferas. El
Ciclo del Carbono, el Ciclo del Agua, el Ciclo del Nitrógeno. Cada uno de estos ciclos
nos lleva a través de cada una de las esferas. Un ciclo puede comenzar en cualquier
parte, pero tomemos como punto de partida la hidrosfera. El océano es calentado por la
radiación infrarroja, ésta se evapora y aumenta la humedad relativa en la atmósfera y el
vapor se condensa formando nubes de agua. Las diferencias en el calentamiento de
diferentes partes del océano provocan convección del aire, o sea corrientes de aire. Estos
vientos arrastran y acumulan las nubes sobre una isla. Las gotas se hacen tan pesadas
que comienza a llover torrencialmente. Las escorrentías arrastran sedimentos y
erosionan la litosfera de la isla. La cuenca hidrográfica hace que el agua converja en un
rio. Este rio alimenta con agua fresca el valle y la biosfera captura esa agua para sus
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respectivos procesos biológicos. Finalmente el agua del rio desemboca en el océano. Así
hemos completado el Ciclo del Agua pasando por cada una de las esferas.
Otra forma en que podemos demostrar la interrelación de las esferas es mediante un
presupuesto de energía. Sabemos que la transferencia de energía puede ocurrir de tres
formas posibles por conducción, convección y radiación. La conducción ocurre a
pequeñas escalas, al nivel molecular. La convección puede ocurrir en pequeñas y
grandes escalas. Por ejemplo como un vórtice de aire en la esquina de un edificio o a la
escala planetaria como una celda de Hadley. Los dos mecanismos anteriores requieren
que haya materia como medio para transferir la energía. En cambio la radiación puede
transferir energía a través del espacio vacío entre el Sol y la Tierra. La fuente original de
la energía es el Sol, pero al llegar al Sistema Terrestre se disipa y se transfiere entre las
esferas (ver figura). La energía que llega del Sol en forma de onda corta (visible, UV, e
infrarrojo cercano) es absorbida y re-irradiada en forma de onda larga (infrarrojo lejano)
por las cuatro esferas. La tasa de energía por unidad de tiempo o sea el flujo de energía
se conoce como potencia. Si medimos la energía en joules (J) y el intervalo de tiempo en
segundos, la potencia será expresada en vatios (W). Es frecuente expresar el presupuesto
en términos de potencia por unidad de área o sea en vatios por metro cuadrado (W m-2).
El flujo de radiación solar de onda corta que incide sobre nuestro planeta es 342 W m-2,
se reparte de la siguiente manera (vea figura): la atmosfera absorbe 67 W m-2, la
hidrosfera, litosfera y biosfera juntas absorben 168 W m-2 y los restantes 107 W m-2 son
reflejados hacia el espacio (albedo). El albedo representa el 31% del flujo de radiación
incidente. El flujo de radiación de onda larga (IR lejano) proveniente de la superficie
del planeta es 390 W m-2. El flujo de radiación de onda larga proveniente del tope de la
atmosfera es 235 W m-2 (vea figura). La diferencia entre los dos es 155 W m-2 y
representa el forzamiento radiativo de onda larga sobre la atmosfera. Refleja la
capacidad de absorción de los gases y vapor de agua en la atmosfera y la capacidad de
cambio climático. La diferencia entre el flujo que emana (390 W m-2) y retorna de la
superficie (324 W m-2) se conoce como el flujo neto de onda larga (66 W m-2). El flujo
neto se reparte entre las tres esferas. Es obvia que la mayoría de esta energía es retenida
en los océanos ya que representan el 71% de la superficie terrestre.
Asimismo como podemos expresar la distribución de la energía solar en el Sistema
Terrestre, podemos repetirlo con la energía hidrotermal que se origina en el centro de la
Tierra, o incluso con la energía mareal entre el Sistema Tierra-Luna. En resumen, la
interrelación entre las cuatro esferas terrestres puede descubrirse si seguimos el paso de
la materia y la energía a lo largo de éstas. El presupuesto de materia y energía aún falta
por completarse. Los científicos que estudian la Tierra, aun siguen refinando los
estimados en cada una de las partidas del presupuesto.
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Albedo
107 W m-2
Biosfera
Atmosfera
Hidrosfera
-2
342 W m-2
168 W m
Litosfera
67 W m-2
Figura 1. El flujo de radiación solar de onda corta (visible, UV, IR cercano) que incide sobre la cara
iluminada de la Tierra es una cuarta parte de la Constante Solar (1367 W m-2) o sea 342 W m-2, esta
se reparte como muestra la figura. Los 168 W m-2 que son absorbidos por la superficie terrestre se
reparten entre las tres esferas. Datos para construir la figura vienen de: Earth’s Annual Global
Mean Energy Budget , Kiehl y Trenberth, NCAR.
Tope de la
Atmosfera
235 W m-2
Biosfera
Hidrosfera
66 W m-2
Litosfera
Atmosfera
GTOT
155 W m-2
Figura 2. El flujo de la radiación solar de onda larga (IR lejano). El valor de la atmosfera
representa la diferencia entre el valor del flujo emitido por la superficie 390 W m-2 menos el del tope
de la atmosfera 235 W m-2. Los 66 W m-2 que son absorbidos netamente por la superficie terrestre
se reparten entre las tres esferas. Datos para construir la figura vienen de: Earth’s Annual Global
Mean Energy Budget , Kiehl y Trenberth NCAR.
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