Estructura de la Tierra
Definición
La estructura interior de la Tierra está formada por caparazones esféricos: una corteza sólida de silicato externo, una astenosfera y manto muy viscoso, un núcleo externo líquido que es mucho menos viscoso que el manto y un núcleo interno sólido. La comprensión científica de la estructura interna de la Tierra se basa en observaciones topográficas y batimétricas, observaciones de rocas en afloramiento, muestras traídas a la superficie desde profundidades mayores por volcanes o actividad volcánica, análisis de las ondas sísmicas que atraviesan la Tierra, mediciones de los campos gravitacionales y magnéticos de la Tierra, y experimenta con sólidos cristalinos a presiones y temperaturas características del profundo interior de la Tierra.
Masa
La fuerza ejercida por la gravedad de la Tierra se puede usar para calcular su masa. Los astrónomos también pueden calcular la masa de la Tierra observando el movimiento de los satélites en órbita. La densidad promedio de la Tierra se puede determinar a través de experimentos gravimétricos, que históricamente han involucrado péndulos.
La masa de la Tierra es de aproximadamente 6 × 10 kg .
Estructura
La estructura de la Tierra se puede definir de dos maneras: por propiedades mecánicas como la reología o químicamente. Mecánicamente, se puede dividir en litosfera, astenosfera, manto mesosférico, núcleo externo y núcleo interno. Químicamente, la Tierra se puede dividir en la corteza, el manto superior, el manto inferior, el núcleo externo y el núcleo interno. Las capas de componentes geológicos de la Tierra se encuentran en las siguientes profundidades debajo de la superficie:
| Profundidad | Capa | |
|---|---|---|
| Kilómetros | Millas | |
| 0-60 | 0-37 | Litosfera (localmente varía entre 5 y 200 km) |
| 0-35 | 0-22 | ... Corteza (varía localmente entre 5 y 70 km) |
| 35-60 | 22-37 | ... Parte superior del manto |
| 35-2,890 | 22-1,790 | Manto |
| 210-270 | 130-168 | ... mesosfera superior (manto superior) |
| 660-2,890 | 410-1,790 | ... Mesosfera inferior (manto inferior) |
| 2,890-5,150 | 1,790-3,160 | Núcleo externo |
| 5,150-6,360 | 3,160-3,954 | Núcleo central |
La estratificación de la Tierra se ha inferido indirectamente utilizando el tiempo de viaje de las ondas sísmicas refractadas y reflejadas creadas por los terremotos. El núcleo no permite el paso de ondas de corte, mientras que la velocidad de desplazamiento (velocidad sísmica) es diferente en otras capas. Los cambios en la velocidad sísmica entre las diferentes capas provocan refracción debido a la ley de Snell, como la flexión de la luz cuando pasa a través de un prisma. Del mismo modo, las reflexiones son causadas por un gran aumento en la velocidad sísmica y son similares a la luz que se refleja en un espejo.
Corteza
La corteza oscila entre 5-70 kilómetros (3.1-43.5 mi) de profundidad y es la capa más externa. Las partes delgadas son la corteza oceánica, que se encuentra debajo de las cuencas oceánicas (5-10 km) y están compuestas de rocas ígneas densas (máficas) de hierro y silicato de magnesio, como el basalto. La corteza más gruesa es la corteza continental, que es menos densa y está compuesta por rocas de silicato de aluminio y potasio (félsicas), como el granito. Las rocas de la corteza se dividen en dos categorías principales: sial y sima (Suess, 1831-1914). Se estima que sima comienza aproximadamente 11 km por debajo de la discontinuidad de Conrad (una discontinuidad de segundo orden). El manto superior junto con la corteza constituye la litosfera. El límite capa-capa se produce como dos eventos físicamente diferentes. Primero, hay una discontinuidad en la velocidad sísmica, que es más comúnmente conocido como la discontinuidad de Mohorovičić o Moho. Se cree que la causa del Moho es un cambio en la composición de la roca desde rocas que contienen feldespato plagioclasa (arriba) hasta rocas que no contienen feldespatos (abajo). En segundo lugar, en la corteza oceánica existe una discontinuidad química entre cumulados ultramáficos y harzburgitas tectonizados, que se ha observado desde partes profundas de la corteza oceánica que se han obadido en la corteza continental y se han conservado como secuencias de ofiolita.
Muchas rocas que ahora forman la corteza terrestre se formaron hace menos de 100 millones (1 ×10) años; sin embargo, los granos minerales más antiguos conocidos tienen alrededor de 4.400 millones (4,4 × 10) años, lo que indica que la Tierra ha tenido una corteza sólida durante al menos 4.400 millones de años.
Manto
El manto de la Tierra se extiende a una profundidad de 2,890 km, por lo que es la capa más gruesa de la Tierra. El manto se divide en manto superior e inferior. El manto superior e inferior están separados por la zona de transición. La parte más baja del manto al lado del límite núcleo-manto se conoce como D "( pronunciado capa de dee-doble-prima). La presión en la parte inferior del manto es de ≈140 GPa (1.4 Matm). El manto está compuesto de rocas de silicato que son ricas en hierro y magnesio en relación con la corteza suprayacente. Aunque es sólido, las altas temperaturas dentro del manto hacen que el material de silicato sea lo suficientemente dúctil como para que pueda fluir en escalas de tiempo muy largas. La convección del manto se expresa en la superficie a través de los movimientos de las placas tectónicas. Como hay una presión intensa y creciente a medida que uno viaja más profundo en el manto, la parte inferior del manto fluye con menos facilidad que el manto superior (los cambios químicos dentro del manto también pueden ser importantes). La viscosidad del manto oscila entre 10 y 10 Pa • s, dependiendo de la profundidad. En comparación, la viscosidad del agua es de aproximadamente 10 Pa • sy la de brea es de 10 Pa • s.
Núcleo
La densidad promedio de la Tierra es 5.515 g / cm . Debido a que la densidad promedio del material de la superficie es solo de alrededor de 3.0 g / cm , debemos concluir que existen materiales más densos dentro del núcleo de la Tierra. Este resultado se conoce desde el experimento Schiehallion, realizado en la década de 1770. Charles Hutton en su informe de 1778 concluyó que la densidad media de la Tierra debe ser aproximadamente la de la superficie de la roca, y concluye que el interior de la Tierra debe ser metálico. Hutton estimó que esta porción metálica ocupaba aproximadamente el 65% del diámetro de la Tierra. La estimación de Newton sobre la densidad media de la Tierra era aún un 20% demasiado baja, a 4.5 g / cm Henry Cavendish en su experimento de equilibrio de torsión de 1798 halló valor de 5.45 g / cm, dentro del 1% del valor moderno. Las mediciones sísmicas muestran que el núcleo está dividido en dos partes, un núcleo interno "sólido" con un radio de ≈1,220 km y un núcleo externo líquido que se extiende más allá a un radio de ≈3,400 km. Las densidades están entre 9,900 y 12,200 kg / m en el núcleo externo y 12,600-13,000 kg / m en el núcleo interno.
El núcleo interno fue descubierto en 1936 por Inge Lehmann y generalmente se cree que está compuesto principalmente de hierro y algo de níquel. Como esta capa puede transmitir ondas de cortante (ondas sísmicas transversales), debe ser sólida. La evidencia experimental a veces ha sido crítica de los modelos de cristal del núcleo. Otros estudios experimentales muestran una discrepancia a alta presión: los estudios de yunque de diamante (estático) a presiones del núcleo producen temperaturas de fusión que son aproximadamente 2000 K inferiores a las de los estudios con láser de choque (dinámico). Los estudios con láser crean plasma, y los resultados sugieren que la restricción de las condiciones del núcleo interno dependerá de si el núcleo interno es sólido o si es un plasma con la densidad de un sólido. Esta es un área de investigación activa.
En las primeras etapas de la formación de la Tierra hace 4.600 millones de años, la fusión habría causado que las sustancias más densas se hundieran hacia el centro en un proceso llamado diferenciación planetaria (ver también la catástrofe de hierro), mientras que los materiales menos densos habrían migrado a la corteza. Por lo tanto, se cree que el núcleo está compuesto principalmente de hierro (80%), junto con níquel y uno o más elementos ligeros, mientras que otros elementos densos, como el plomo y el uranio, son demasiado raros para ser significativos o tienden a unirse al encendedor elementos y así permanecer en la corteza (ver materiales félsicos). Algunos han argumentado que el núcleo interno puede estar en la forma de un solo cristal de hierro.
En condiciones de laboratorio, una muestra de aleación de hierro y níquel se sometió a las presiones del núcleo agarrándolo en una prensa entre 2 puntas de diamante (yunque de diamante), y luego calentando a aproximadamente 4000 K. La muestra se observó con rayos X, y apoyó firmemente la teoría de que el núcleo interno de la Tierra estaba hecho de cristales gigantes que corrían de norte a sur.
El núcleo externo líquido rodea el núcleo interno y se cree que está compuesto de hierro mezclado con níquel y trazas de elementos más ligeros.
La especulación reciente sugiere que la parte más interna del núcleo está enriquecida en oro, platino y otros elementos siderófilos.
La materia que comprende la Tierra está conectada de manera fundamental a la materia de ciertos meteoritos condritas, y a la materia de la porción exterior del Sol. Hay buenas razones para creer que la Tierra es, en general, como un meteorito condrita. Comenzando ya en 1940, los científicos, incluido Francis Birch, construyeron geofísica sobre la premisa de que la Tierra es como las condritas ordinarias, el tipo más común de meteorito que impacta la Tierra, ignorando por completo otro tipo, aunque menos abundante, llamado condritas enstatita. La diferencia principal entre los dos tipos de meteoritos es que las condritas enstatitas se forman bajo circunstancias de oxígeno disponible extremadamente limitado, lo que conduce a ciertos elementos normalmente oxifílicos que existen parcial o totalmente en la porción de aleación que corresponde al núcleo de la Tierra.
La teoría del dínamo sugiere que la convección en el núcleo externo, combinada con el efecto de Coriolis, da lugar al campo magnético de la Tierra. El núcleo interno sólido está demasiado caliente para mantener un campo magnético permanente (ver temperatura de Curie) pero probablemente actúa para estabilizar el campo magnético generado por el núcleo externo líquido. La fuerza promedio del campo magnético en el núcleo externo de la Tierra se estima en 25 Gauss (2.5 mT), 50 veces más fuerte que el campo magnético en la superficie.
La evidencia reciente ha sugerido que el núcleo interno de la Tierra puede rotar ligeramente más rápido que el resto del planeta; sin embargo, estudios más recientes en 2011 encontraron que esta hipótesis no es concluyente. Las opciones permanecen para el núcleo que puede ser de naturaleza oscilatoria o un sistema caótico. En agosto de 2005, un equipo de geofísicos anunció en la revista Science que, de acuerdo con sus estimaciones, el núcleo interno de la Tierra rota aproximadamente de 0.3 a 0.5 grados por año más rápido en relación con la rotación de la superficie.
La explicación científica actual para el gradiente de temperatura de la Tierra es una combinación del calor que queda de la formación inicial del planeta, la descomposición de los elementos radiactivos y la congelación del núcleo interno.