La estructura interna de la Tierra: núcleo, manto y corteza
Orientación docente. F3 Semana 18
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Indicación general
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Estimado equipo docente:
A continuación, encontrará distintas consideraciones para el manejo didáctico específico de la guía estudiantil de Ciencia, Salud y Medio Ambiente, semana 18. Recuerde que dicha guía busca que sus estudiantes desarrollen actividades diseñadas para la continuidad educativa en el hogar, valiéndose de diferentes herramientas virtuales y con el apoyo familiar.
Los contenidos de la guía estudiantil están sustentados en la secuencia didáctica y los indicadores de logro del programa de estudios del Ministerio de Educación (MINED). Incluye recursos externos al sitio, sugerencia de tareas, repaso y evaluación.
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A. Guía versión docente
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1. Contenido programático
1. Contenido programático
Unidad 8: La Tierra, nuestro gran hogar
La estructura interna de la Tierra: núcleo, manto y corteza
2. Indicador de logro
2. Indicador de logro
8.8 Relaciona, en concreto, los movimientos de la corteza terrestre con la composición interna de la Tierra.
3. Introducción
3. Introducción
Nuestro planeta está dividido en una estructura interna y una externa; pero en esta clase solo estudiaremos la estructura interna. Aprenderemos a diferenciar las capas de la Tierra según sus composiciones químicas y propiedades físicas; finalmente, relacionaremos los movimientos sobre la corteza terrestre (que es por donde caminas todos los días) con los movimientos internos de la Tierra.
4. Desarrollo (¿Qué debes saber?)
4. Desarrollo (¿Qué debes saber?)
4.1 Formación de las capas
La Tierra tuvo un período de segregación química (es decir, de separación de compuestos químicos) muy temprano en la historia de su formación (hace 4 500 millones años), que dio como resultado capas de composición química diferentes: corteza, manto y núcleo.
Además de las propiedades químicas, cada capa tiene propiedades físicas (que clasificaremos más adelante), como: capas sólidas o líquidas y en capas dúctiles o resistentes. Pero, ¿qué es un material dúctil? Es un material que puede deformarse, moldearse, malearse o extenderse con facilidad; por ejemplo, algunos objetos fabricados con material dúctil la masa de maíz, la plastilina y la cinta de zapatos. En cambio, un material resistente es lo opuesto al dúctil: no permite deformarse, moldearse, etc.; por ejemplo, un martillo.
4.1.1 Por su composición química
La separación de la Tierra en capas de distinta composición química la originó, probablemente, la estratificación por densidades, que tuvo lugar durante el período de fusión parcial de las primeras etapas de la historia de la Tierra. Durante este lapso, los elementos químicos más pesados, principalmente el hierro y el níquel, se fueron hundiendo a medida que los componentes rocosos más ligeros permanecieron flotando a diferentes profundidades según su densidad, formando así las capas o estratos (Fig. 1). Debido a esto, la región del interior de la Tierra no tiene composición homogénea, dividiéndose en las tres regiones mencionadas anteriormente: corteza, manto y núcleo.
Figura 1. Distribución de la densidad desde lo menos denso (superficie) hasta lo más denso (fondo). (Fuente: vduran1767)
Corteza. Es la capa más externa y de constitución rocosa, con un espesor muy variable, de entre 5 y 70 km. De las tres capas, es la más ligera porque tienen abundancia de oxígeno y silicio (Fig. 2a). La superficie de la corteza es bastante heterogénea, lo cual entenderemos mejor cuando veamos los tipos de corteza terrestre.
Esta capa está sometida a continuos cambios originados por procesos endógenos, que son causados por fuerzas que provienen del interior de la Tierra; un ejemplo es la fuerza de los terremotos. Seguramente habrás escuchado o leído en las noticias que hubo un sismo de magnitud 3.2 con un foco o hipocentro de 15 km de profundidad. El hipocentro es la zona en el interior de la Tierra donde inicia la ruptura de la falla (desde ahí se propagan las ondas de la energía sísmica).
Las fuerzas endógenas son una de las tantas causas de las principales características del relieve salvadoreño y del relieve en general. Pero, ¿qué son los procesos endógenos? La geología los llama así porque las causas que los originan son internas o constructoras. Por otro lado, los procesos exógenos se deben a causas externas o destructoras. Ambos procesos modifican el paisaje del relieve terrestre.
La corteza se divide en dos: la oceánica (debajo de los océanos) y la continental (en tierra firme) (Fig. 2b). Veamos las características sobresalientes de ambos tipos de corteza:
Corteza continental. Podemos ver parte del relieve de esta corteza en las altas elevaciones naturales de terreno; por ejemplo: las montañas y los volcanes de El Salvador, incluso, tú vives en la corteza continental.
Tiene un espesor promedio de entre 35 y 40 km, aunque puede llegar a los 70 km de espesor, como la cordillera del Himalaya. A propósito, en dicha cordillera se halla la montaña más alta del mundo: monte Everest, que tiene una elevación de 8 848 m sobre el nivel del mar (m.s.n.m.) y continúa elevándose.
Formada por muchos tipos de roca, las zonas superiores de la corteza continental tienen la composición química promedio de la roca granítica denominada granodiorita; mientras que en las zonas más profundas, la composición química promedio es más parecida al basalto (rocas volcánicas). Como es de esperar, la densidad promedio de esta corteza, mayor a la del agua (1 g/cm3), es de 2.7 g/cm3. Se han descubierto rocas continentales de más de 4 000 millones de años de edad, lo cual significa que han estado ahí desde el Hádico (fue un tiempo geológico que tuvo la Tierra); tan antiguas como la edad misma de la Tierra, 4 500 millones de años.
Corteza oceánica. Su espesor varía de entre 5 y 10 km, cubierta por el océano. Sin embargo, debemos aclarar acá que la corteza oceánica no inicia exactamente en la costa o playa donde la gente disfruta del mar; de hecho, los primeros metros o kilómetros después de la costa siguen perteneciendo a la corteza continental y no a la oceánica, aunque haya agua cubriéndola. ¿Habrá una frontera entre un tipo de corteza terrestre al otro? Sí, se llama talud continental y es una inclinación submarina que desciende rápidamente desde el borde de la plataforma continental a profundidades de hasta 4 000 m.
El talud continental puede quedar a pocos metros de distancia en unas playas y a varios kilómetros en otras; a excepción de las cordilleras oceánicas (llamadas dorsales centro-oceánicas) y las fosas marinas (entre ellas la Fosa de las Marianas, el lugar submarino más profundo del planeta), la superficie se muestra muy homogénea. En cuanto al tipo de roca, la oceánica está compuesta por rocas ígneas oscuras denominadas basaltos (rocas volcánicas), las cuales son, por mucho, más jóvenes que las rocas continentales, no superando los 180 millones de años de edad. La densidad promedio de la corteza oceánica es de 3.0 g/cm3, densidad un poco mayor que la continental.
Manto. Es la capa de roca sólida y caliente más gruesa de la Tierra y representa 82% del volumen del planeta; el límite entre la corteza y el manto representa un cambio de composición química (Fig. 3a). Se extiende hasta una profundidad de 2 900 km (Fig. 3b). La densidad del manto aumenta con la profundidad, pasando de 3.5 g/cm3 en la superficie a 5.5 g/cm3 en las proximidades del núcleo.
Núcleo. Debajo del manto está el núcleo, que es el centro mismo de la Tierra y se extiende hasta los 3 486 km; está compuesto de metales pesados, especialmente hierro y níquel con cantidades menores de oxígeno, silicio y azufre, elementos que forman fácilmente compuestos con el hierro (Fig. 4).
La presión extrema del núcleo está compuesta por un material rico en hierro, que tiene una densidad media cerca de 11 g/cm3 y que se aproxima a 14 veces la densidad del agua en el centro de la Tierra.
Figura 4. Núcleo de la Tierra, el cual tiene un espesor de 586 km.
4.1.2 Por sus propiedades físicas
A medida se desciende en el interior de la Tierra, gradualmente, aumenta la temperatura, la presión y la densidad de las rocas. Los cálculos nos indican que la temperatura a una profundidad de 100 km está entre 1 200 °C y 1 400 °C, mientras que la temperatura en el centro de la Tierra puede superar los 6 700 °C; así como la temperatura aumenta en profundidad, también aumenta la presión y, en consecuencia, incrementa la densidad de las rocas.
La Tierra puede dividirse en cinco regiones principales en función de sus propiedades físicas (temperatura y presión) y por tanto, según su resistencia mecánica (sólido quebradizo), también puede deformarse como la masilla, o incluso, fundirse); estas regiones con: litósfera, astenósfera, mesósfera (manto inferior), núcleo externo y núcleo interno.
Litósfera. También llamada Esfera de roca por sus raíces griegas. La composición química de esta capa es notablemente diferente; además actúa como una unidad que muestra un comportamiento rígido (no se puede doblar), principalmente porque es frío y, en consecuencia, resistente. Tiene un grosor medio de unos 100 km, pero puede alcanzar 250 km de grosor debajo de las porciones más antiguas de los continentes (Fig. 5a). Dentro de las cuencas oceánicas, la litósfera tiene un grosor de tan solo unos pocos kilómetros debajo de las dorsales oceánicas, pero aumenta hasta 100 km en regiones donde hay corteza más antigua y fría (Fig. 5b).
Figura 5. a) Litosfera en los océanos es de menor espesor que cuando está en continente. 5b) Dorsales oceánicas con actividad volcánica generando corteza oceánica reciente.
Astenósfera. Ubicada en el manto superior (a una profundidad de unos 660 km), se encuentra una capa blanda comparativamente plástica. La porción superior de la astenósfera tiene unas condiciones de temperatura y presión que permiten la existencia de una pequeña porción de roca fundida. Dentro de esta zona muy dúctil, la litósfera está mecánicamente separada de la capa inferior; la consecuencia es que la litósfera es capaz de moverse con independencia de la astenósfera (Fig. 6).
Figura 6. Estructura interna de la Tierra según su composición química y sus propiedades físicas.
Mesósfera o manto inferior. Entre las profundidades de 660 km y 2 900 km se encuentra una capa más rígida y es porque a medida que la presión aumenta, esta contrarresta los efectos de la temperatura más elevada y la resistencia de las rocas crece de manera gradual con la profundidad. A pesar de su resistencia, las rocas de la mesósfera están todavía muy calientes y son capaces de fluir de una manera gradual.
Núcleo (interno y externo). Está compuesto mayormente por una aleación de hierro y níquel; se divide en dos regiones que muestran resistencias mecánicas muy distintas:
Núcleo externo: es una capa líquida de 2 270 km de espesor. Las corrientes convectivas del hierro metálico en esta zona son las que generan el campo magnético de la Tierra (Video 1).
Núcleo interno: tiene un radio de 1 216 km. A pesar de su temperatura más elevada de entre 5 000 °C y 7 000 °C, el material del núcleo interno es más resistente que el del externo (debido a la enorme presión que está sometido) y se comporta como un sólido.
4.1.2.1 Discontinuidades
Durante el siglo XIX, se fueron compilando y analizando los datos sismológicos recogidos en muchas estaciones sismográficas; a partir de esta información, se ha tratado de desarrollar una imagen detallada del interior de la Tierra (Fig. 7). Este modelo está siendo continuamente ajustado a medida que se dispone de más datos y se emplean nuevas técnicas sísmicas. Se conocen cuatro discontinuidades (Fig. 8):
Discontinuidad de Mohorovicic o Moho. Es el límite que separa los materiales menos densos de la corteza terrestre y de los materiales más densos del manto superior. Como consecuencia de ello, las ondas sísmicas sufren un cambio abrupto de velocidad al atravesar esta región. El Moho se encuentra aproximadamente entre los 5 y 10 km por debajo del fondo oceánico y entre los 30 y 80 km por debajo de los continentes.
Discontinuidad de Repetti. Entre los 100 y 800 km de profundidad se originan variaciones en la velocidad de propagación de las ondas P (primeras en observarse en un sismograma) y S (segundas en observarse en un sismograma); el mayor cambio se produce a los 660 km y se utiliza para diferenciar el manto superior del inferior.
Discontinuidad de Gutenberg. Se localiza a 2 900 km de profundidad, donde las ondas P sufren un cambio muy brusco en su velocidad de propagación y las ondas S desaparecen; esto hace pensar que a partir de los 2900 km hay una capa de material fundido. Separa el manto y el núcleo.
Discontinuidad de Lehmann. A una profundidad de 5 170 km se produce un incremento en la velocidad de propagación de las ondas P; este salto se interpreta como un cambio en el estado físico de los materiales que hay en el núcleo, los cuales pasan de líquido a sólido. Esta discontinuidad permite diferenciar entre el núcleo externo (líquido) y el interno (sólido).
Figura 7. La velocidad de propagación de las ondas sísmicas por el interior terrestre sufren variaciones graduales y, a veces, cambios bruscos.
Figura 8. Cambios bruscos en la propagación de las ondas sísmicas llamadas discontinuidades.
4.2 Movimientos de la corteza terrestre
Los movimientos y la presión a los que están sometidos los materiales al interior de la Tierra son responsables de producir diversos fenómenos naturales en la corteza terrestre, principalmente, los terremotos y los volcanes.
4.2.1 Terremoto
Es el proceso de liberación súbita de energía de la corteza terrestre, que se propaga en todas las direcciones desde su origen (foco o hipocentro) en forma de ondas. Este movimiento es parecido a cuando impacta una roca en un estanque, que provoca un movimiento de ondas en el agua. Los sismos producen ondas sísmicas que se propagan en la Tierra; pero, ¿dónde se localizan?
El estudio de los sismos en sí mismos abarca una gama muy variada de fases; por ejemplo, la localización del foco generador, las propagaciones de las diferentes ondas y hasta los efectos que ocasionan: amenazas y vulnerabilidad sísmica (es decir, el riesgo). El punto o región dentro de la corteza en profundidad donde se ha generado el sismo recibe el nombre de hipocentro y su proyección vertical hasta la superficie del globo es llamada epicentro (Fig. 9).
Figura 9. Hipocentro y epicentro de un sismo generado por el movimiento de una falla. (Fuente: ENZO)
¿Cómo se originan los sismos? La generación de estos es la consecuencia de la liberación brusca de la energía acumulada en la corteza, sometida a esfuerzos compresivos, tensionales o de cizallamiento, en el momento de producirse una ruptura súbita, generalmente asociada al movimiento de una falla.
Las placas tectónicas exponen que la rígida litósfera está fragmentada y forma un mosaico de numerosas piezas de diversos tamaños en movimiento. Hay tres tipos de límites de placas:
Figura 10. Los sismos y los volcanes en El Salvador son generados por la interacción de la placa de los Cocos y del Caribe. (Fuente Mario)
Borde convergente. Ocurre cuando dos placas se deslizan lentamente una hacia la otra, generalmente formando una zona de subducción.
Borde divergente. Ocurre cuando las placas se mueven separándose mientras el magma empuja hacia arriba desde el manto, creando una nueva corteza.
Figura 13. La falla de San Andrés se debe a la interacción entre la placa del Pacífico y la Norteamericana. Fuente: Red Sísmica
Borde transformante. Ocurre cuando las placas se deslizan una con respecto a la otra.
¿Cómo se miden los sismos? En general, el registro de estos se realiza por medio de un aparato llamado sismógrafo (dispositivo empleado para la medición de las ondas sísmicas que provocan los terremotos). Hay diversas escalas para medir los terremotos (Fig. 14), pero las más comunes son:
Escala de Mercali: mide los efectos de un sismo (grado de destrucción) desde 1 a 12 grados. El primer valor corresponde a los sismos que solo pueden ser detectados por medio de instrumentos y el valor 12 corresponde a los sismos que producen destrucción total de los edificios. Esta escala es subjetiva, pues depende de la distancia del observador al epicentro.
Escala de Richter: es la escala estándar para comparar terremotos y mide la energía liberada por un sismo; es logarítmica, es decir, sus números miden factores de diez. Un terremoto de magnitud un punto superior a otro es diez veces más potente. Esta escala no tiene límite superior.
Figura 14. Escalas de medición para los sismos registrados.
Ejemplo de reporte de sismo registrado por el Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales (MARN):
Sismo magnitud 3.7 frente a la costa de La Unión. A 60 km al sur de playa Las Tunas. Profundidad 32 km. [2020-09-03, 03:40]
Hipocentro: 32 km
Epicentro: 60 km al sur de playa Las Tunas
Escala Richter (escala de magnitud del sismo): temblor sentido por muchas personas.
Escala Mercalli: conoceremos la intensidad del sismo por medio de un mapa de intensidad instrumental (Fig. 15).
Figura 15. Mapa de intensidad instrumental de sismo sentido al sur de playa Las Tunas. (Fuente: MARN)
4.2.2 Volcán
Es una estructura geológica a través de la cual emergen roca fundida (magma cuando está en el interior de la Tierra y lava cuando está en el exterior) y gases del interior de nuestro planeta, por lo general, en episodios de actividad violenta denominados erupciones. Los volcanes forman parte del relieve tanto de la corteza continental como de la oceánica.
Cuando un volcán entra en erupción, las fuerzas que actúan desde el interior de la Tierra (fuerzas endógenas) ayudan a construir y transformar la corteza de nuestro planeta, elevando los terrenos. Esta dinámica ha ocurrido a través del tiempo durante miles de millones de años.
El Salvador tiene identificados y evaluados a 50 volcanes, de los cuales 23 son individuales de diferente tipo y que presentan características que permiten clasificarlos como activos; entre ellos los volcanes de: Santa Ana, San Miguel, Izalco y San Salvador. Según reportes del MARN, actualmente, estos mantienen actividad como la emisión de gases y, excepcionalmente, de cenizas.
La cadena volcánica que tenemos en El Salvador es solo una parte del anillo de fuego del Pacífico, que está formado por una larga cadena costera de volcanes y de otras estructuras tectónicas activas que rodean el océano Pacífico.
Este anillo, llamado también cinturón de fuego del Pacífico, es una de las áreas geológicas más activas de nuestro planeta, con más de 450 volcanes; esto produce una intensa actividad sísmica y volcánica en la zona (incluyendo nuestro país). En El Salvador, el origen de los volcanes se debe a la lenta y permanente colisión entre la corteza oceánica (llamada placa de Cocos) y la corteza continental (llamada placa del Caribe).
Figura 17. La cadena volcánica de El Salvador que forma parte del cinturón de fuego del Pacífico. (Fuente: Cultura azul)
5. Ejercitación (Ponte a prueba)
5. Ejercitación (Ponte a prueba)
Antes de resolver la tarea de la semana, responde adecuadamente las preguntas de la siguiente prueba. ¡Adelante!
Recuerda: la prueba NO tendrá calificación.
6. Evaluación sugerida (Tareas de la semana)
6. Evaluación sugerida (Tareas de la semana)
Recuerda enviar las respuestas o resultados a tu docente, siguiendo las indicaciones que se te brinden. Podría ser nota.
A. Estructura interna de la Tierra (50%)
La Tierra está dividida en tres regiones principales según su composición química y, como hemos visto, esto se debe a que los elementos químicos más pesados están en el centro de la Tierra y los elementos ligeros se quedaron en la superficie; por tanto, la corteza es menos densa y el núcleo más denso de las capas de la Tierra.
Materiales: aceite de cocina, agua, alcohol etílico, vaso transparente (vidrio o desechable) y colorante alimenticio en dos tonos distintos (puede ser refresco en polvo).
Procedimiento:
Vierte uno de los colorantes en el agua y mezcla. Luego vierte el otro colorante en el alcohol y también mezcla. No olvides cuál color es cada uno.
Vierte con cuidado los líquidos en el vaso transparente, en este orden: aceite, agua y alcohol.
Responde:
¿Qué sucedió cuando agregaste el agua? Describe.
¿Qué sucedió cuando agregaste el alcohol? Describe.
¿Por qué crees que sucedió lo que has observado?
¿Cuáles son las densidades del aceite, el agua y el alcohol en g/cm3? Investiga y ordénalas de mayor a menor.
¿Coincide las densidades que investigaste con el orden obtenido en el experimento? Efectúa una comparación con las capas de la Tierra, según su composición química. ¿Qué capa es la que le corresponde al aceite, al agua y al alcohol?
B. Sismo registrado (50%)
Identifica el hipocentro, el epicentro y la escala Richter del siguiente reporte emitido por el MARN:
Sismo de magnitud 3.7 frente a la costa de La Paz. A 38 km al sur de playa San Marcelino. Profundidad 45 km. [2020-09-02, 02:04]
7. Recursos complementarios (¿Saber más?)
7. Recursos complementarios (¿Saber más?)
Los materiales complementarios pueden requerir de un consumo adicional de datos o mayor ancho de banda.
Si deseas reforzar y ampliar tus conocimientos sobre los terremotos y los volcanes, te invitamos a ver los siguientes videos:
B. Sugerencias adicionales
B. Sugerencias adicionales
Recursos adicionales para esta semana; puede enviar sugerencias a través de los portales del MINED o escribir a la dirección electrónica ciencias.mined@clases.edu.sv.
Si deseas saber más sobre el arco volcánico salvadoreño, consulta en el siguiente enlace un tríptico elaborado por el MARN:
El MARN elaboró la serie "Aprendamos a protegernos" con el propósito de brindar orientación e información para la reducción de los riesgos de desastres. En el siguiente enlace se encuentran disponibles los ocho tomos en su versión digital:
No olvides sintonizar en Canal 10 la franja educativa "Aprendamos en casa" y visitar en YouTube, cuando lo requieras, el Canal de Ciencia Educativa para consultar material adicional de todos los niveles.
Los recursos adicionales pueden requerir un consumo extra de datos o mayor ancho de banda.
C. Modelo de aula virtual
C. Modelo de aula virtual
A continuación, encontrará un ejemplo de organización sugerida para su Classroom.
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