Astronomía: De la Tierra al Cosmos

Por Armando E. Zandanel

Desde tiempos inmemoriales, los seres humanos observaron el cielo. Se asombraron ante su belleza permanente, ante la mirada de puntos brillantes que lo colmaban. En esos cielos, esos seres depositaron dioses, leyendas y marcadores de su destino. Existieron también algunos hombres, que además de registrar las regularidades en el movimiento de los astros, intentaron explicarlas. Este libro se inspiró en esos seres que buscaron interpretar la bóveda celeste y de poner a los cielos en un lugar de la racionalidad.

• Idioma: Español
• Editorial: Editorial Maipue
• Fecha de lanzamiento: 21 may 2019
• ISBN: 9789874490995

Armando E. Zandanel

Armando Eugenio Zandanel Profesor de Física, Matemáticas y Astronomía se ha especializado en temas de didáctica específica y se ha desempeñado como docente por más de tres décadas en diferentes instituciones, entre ellas el Instituto del Profesorado Técnico, el Instituto del Profesorado “Ciudad de Mercedes” y el Instituto Superior de Formación Docente Nº 6 de la ciudad de Chivilcoy. Autor de artículos y libros sobre educación en ciencia o de divulgación científica, en 1995 diseño una plaza educativa donde los juegos y objetos emplazados en ella sirven para enseñar sobre astronomía y otras ciencias. En la actualidad es el Director del Instituto Municipal de Estudios Científicos y Técnicos de la ciudad de Chivilcoy, rol desde el cual coordina las actividades educativas que se realizan en el parque temático Cielos del Sur, espacio construido en 2012 en base a su antiguo proyecto.

Vista previa del libro

OEI.

Introducción

La ley de las estrellas es el significado etimológico de la palabra astronomía, griega en su origen, para designar a la ciencia que se ocupa de los cuerpos celestes, de sus movimientos y de los fenómenos que estos puedan originar. No hay civilización en la Tierra que no haya levantado sus ojos al cielo para aprender a leer el movimiento de los astros y a dar un orden al tiempo. Han dedicado al cielo su esfuerzo y atención, atraídos por su insondable belleza.

Hace muy poco que, en nuestra historia de especie, comprendimos que viajábamos a bordo de un planeta que apenas es un grano de polvo flotando en la inmensidad del océano cósmico, que el número total de objetos en el universo era impresionantemente grande y que éramos, como diría el poeta, polvo de estrellas.

La forma de dominar lo desconocido es explicarlo, para lo que nos valemos de un método para aprender acerca de nosotros mismos y de las cosas que nos rodean, que llamamos ciencia, cuya mayor virtud es saber que sus juicios siempre son refutables y únicamente remplazados por otros más amplios en su alcance descriptivo y más exactos en sus predicciones.

El conocimiento de las regularidades astronómicas es una pieza fundamental en el proceso de construcción y validación de los modelos astronómicos, ya que, ¿cómo se puede justificar el modelo Sol-Tierra-Luna si se desconocen regularidades tales como la duración del día, la posición de salida y puesta del Sol, su altura máxima que alcanza cada día, las fases que nos presenta la Luna, las estaciones...?

La astronomía ofrece la cuota de misterio y atracción que facilita el inicio del proceso educativo y actúa como puente para aproximarnos a las ciencias, promoviendo el razonamiento, la investigación y la creatividad.

Desde pequeño, fui curioso y traté de aprender sobre diversos temas. La astronomía me acompañó durante toda la vida como objeto de estudio, con el paso del tiempo me interesé por saber cómo se podía proponer un contenido para que otro pueda aprenderlo, especialmente en ciencias, y en particular en astronomía.

Incluso hoy en plena era digital, valoro los libros, y creí conveniente escribir algo sobre estos temas intentando ofrecer una mirada que invite a seguir buscando.

A partir de lo contado en estas líneas, los invito a leer y a viajar entre planetas, estrellas y galaxias, para ir de la Tierra al Cosmos…

Capítulo 1

¿Único en su especie? Un cuerpo celeste llamado Tierra

Se considera zona habitable a la región anular en torno a una estrella, en la que un hipotético planeta puede mantener la presencia de agua líquida en su superficie, condición que cumple nuestra Tierra. Su ubicación respecto al Sol, sus características estructurales y dinámicas, son y han sido adecuadas para que la vida surja y evolucione.

Zona de habitabilidad terrestre

La Tierra tiene características singulares. Al menos en nuestra vecindad, dentro del sistema que conformamos con el Sol y el resto de los planetas, es el único que tiene el 70% de su superficie cubierta por agua líquida. Hay ríos, lagos, mares, océanos y por desgracia también tsunamis y huracanes...

Una piel protectora envuelve al planeta, formada por una mezcla de gases entre los que predominan el oxígeno (21%) y el nitrógeno (78%), mientras que el resto de los planetas solo tiene algún vestigio de oxígeno en su atmósfera actual. Más aún, una molécula triatómica de este elemento, a la que conocemos como ozono, se concentra a unos 25 kilómetros (km) de altura sobre la superficie, formando una capa que actúa como filtro natural, absorbiendo los rayos ultravioletas más nocivos, siendo así la pantalla solar natural de nuestro planeta.

Esto facilita la vida, algo abundante y variado, que abarca desde virus, bacterias y amebas unicelulares a flores y árboles, peces y aves, insectos y mamíferos, entre los que encontramos a la especie humana.

La Tierra como sistema está formada por muchas partes o subsistemas separados pero interactuantes, en los que la materia se recicla una y otra vez. Un cambio en un subsistema puede producir cambios en otro o en todos los demás. A escala de tiempo geológico, ha sufrido uniones y divisiones continentales, variaciones del nivel del mar, cambios climáticos, apariciones y extinciones de especies.

Los cambios tienen dos motores: el Sol y la energía interna del planeta. Los procesos externos como el tiempo atmosférico y el clima, la circulación oceánica, los procesos erosivos, de transporte y sedimentación en los que interviene el viento y el agua son accionados por la energía del Sol. Parte de la energía que nos llega es atrapada por la atmósfera por efecto invernadero conservando el agua líquida y manteniendo una temperatura media confortable en torno a los 15 °C.

El interior de la Tierra es la segunda fuente de energía. La energía que queda de cuando se formó nuestro planeta y en menor medida la que se radia por desintegración radiactiva, impulsan los procesos internos que modelan el relieve. Producen el desplazamiento de las placas tectónicas y los continentes, la creación de sistemas montañosos y cuencas oceánicas, originando terremotos y volcanes.

Pese a que escritores de la talla de Julio Verne la imaginaron hueca, la ciencia nos ha ido mostrando un planeta estructurado en capas concéntricas de distinto espesor, composición y densidad. La imagen actual muestra un planeta rocoso, pero que no es una bola sólida y homogénea, sino una combinación e interacción de varias capas de material en constante movimiento.

El paisaje de nuestra superficie esta caracterizado por la presencia de numerosas formaciones geológicas: montañas, mesetas, cañones, llanuras, valles, entre otras, que conforman lo que llamamos tierra firme, el resto está cubierto de agua: océanos, mares, ríos, lagos, etcétera.

La piel que protege al planeta

La atmósfera de la Tierra es una cobertura formada por una mezcla de gases (aire) rica en nitrógeno y oxígeno, que rodea por completo al cuerpo sólido. Se extiende algunos miles de km hasta mezclarse con el medio interplanetario, aunque el 85% de su masa se concentra en los 18 km próximos a la superficie. En esta parte de la atmósfera, a la que se conoce como troposfera, se concentra la mayor parte del vapor de agua y es donde ocurren los fenómenos meteorológicos, como por ejemplo la formación de nubes y la precipitación de agua.

Tradicionalmente, se la divide en capas, la ya mencionada troposfera, la estratosfera, la mesosfera, la termosfera y la exosfera.

Se estima que la atmósfera primitiva era mucho más pesada y estaba formada por gases de origen volcánico (similares a los actuales), en su mayoría vapor de agua, dióxido de carbono, dióxido de azufre y algo de nitrógeno molecular. Por sus componentes, esta atmósfera primitiva sería ligeramente reductora (carente de oxígeno) y de color rojizo.

Capas atmosféricas. (La imagen no guarda escala)

Hay indicios de que el oxígeno se comenzó a incorporar hace unos 1800 millones de años. Indispensable para nuestra vida, el oxígeno se genera a través de dos procesos: la disociación fotoquímica del agua (fotólisis) y la fotosíntesis.

Los componentes actuales de la atmósfera son: nitrógeno (N2) 78%; oxígeno (O2) 21%; argón (Ar) 0,9%; dióxido de carbono (CO2) 0,04%; vapor de agua (H2O) 0-4%; y trazas de helio (He), neón (Ne), kriptón (Kr), metano (CH4), ozono (O3), óxidos de azufre (SO2 y SO3) y nitrógeno (NO y NO2).

El ozono (alótropo, o molécula formada por un solo elemento que posee distinta estructura molecular, del oxígeno) es una molécula compuesta por tres átomos de oxígeno; su mayor concentración forma una capa por sobre la troposfera (entre 20 y 25 km sobre el nivel del mar), lo que lo convierte en la pantalla solar del planeta, ya que es el encargado de absorber la radiación ultravioleta. Continuamente se crea y se destruye conformando una capa dinámica: un fotón ultravioleta de gran energía proveniente del Sol rompe la molécula de oxígeno, separándola en dos átomos libres de combinarse con moléculas de oxígeno próximas y formar ozono. Esa molécula triatómica así formada se desintegra al absorber un fotón de radiación ultravioleta y se regenera rápidamente, lista para absorber más radiación. Cuando un átomo de oxígeno choca con uno de ozono se forman dos moléculas de oxígeno.

El resultado neto de las reacciones de creación y destrucción del ozono estratosférico conllevan una transformación de la radiación ultravioleta en energía calorífica, que es absorbida por la atmósfera.

Producción de ozono

La atmósfera es clave para mantener el equilibrio entre la energía que se recibe y la que se emite; a este equilibrio se lo llama balance energético de la Tierra y permite mantener la temperatura en un estrecho margen que posibilita la vida. El movimiento horizontal del aire transfiere energía entre regiones suavizando así los valores extremos de temperatura.

Una parte de la energía que llega al suelo es reemitida como radiación infrarroja y atrapada en su mayor parte en la atmósfera y reenviada de nuevo a la Tierra.

El efecto invernadero es un fenómeno físico basado en el comportamiento de la atmósfera frente a la radiación recibida desde el Sol y reemitida por la superficie terrestre. Se produce como resultado de la acción de ciertos gases transparentes a la luz visible, pero opacos a la infrarroja.

Efecto invernadero

Entre estos gases, están el dióxido de carbono, el óxido nítrico, el ozono, el metano y los clorofluorcarbonados.

Sin el efecto invernadero, la vida tal como la conocemos sería imposible en la Tierra, ya que la superficie terrestre tendría una temperatura media 33 °C menor a los 15 °C que tiene actualmente.

Simplemente agua

El agua tiene propiedades que la hacen esencial para la vida, esto se debe a que su molécula H2O es dipolar, con una carga parcial negativa en la zona del oxígeno y cargas parciales positivas en las de los hidrógenos, lo que favorece el establecimiento de enlaces llamados puentes de hidrógeno entre sus moléculas, o entre estas y otras sustancias. Esta configuración estructural la convierte en un excelente disolvente, es decir, la sustancia capaz de destruir la agregación de moléculas de otra sustancia soluble (es el componente que se halla en mayor proporción en una mezcla homogénea); en especial de sales y de las moléculas de los seres vivos. Su abundancia en estado líquido posibilita el encuentro de las sustancias disueltas para que puedan realizarse reacciones bioquímicas y el transporte de nutrientes a las células. Su mayor densidad la reserva para los 4 °C, temperatura en la cual se encuentra en estado líquido (por lo que el hielo flota en ella).

Nuestro planeta puede ser único por disponer de abundante agua en tres estados: líquido, sólido y gaseoso. Está en todas partes: en los océanos, los glaciares, los ríos, los lagos, el aire, el suelo y en el tejido vivo. Todos estos reservorios constituyen la hidrosfera terrestre, con un contenido total de agua estimado en unos 1360 millones de kilómetros cúbicos (km³).

El agua está en continuo movimiento, desde la superficie hacia la atmósfera, y viceversa, en un ciclo interminable. De esta manera, se constituye un sistema global impulsado por la energía procedente del Sol, en el cual la atmósfera proporciona el nexo vital entre los océanos y los continentes.

Las nubes son el principal fenómeno atmosférico visible. Como tales, representan un paso transitorio, aunque vital, en el ciclo del agua. Este ciclo incluye la evaporación de la humedad desde la superficie de la Tierra, su transporte hasta niveles superiores de la atmósfera, la condensación del vapor de agua en masas nubosas y el retorno final del agua a la tierra en forma de precipitaciones de lluvia y nieve. Todo comienza cuando el agua de la vegetación y de los mares, océanos, lagos, ríos, etc., se evapora y se incorpora a la atmósfera. Los vientos transportan el agua evaporada, algunas veces a grandes distancias, alterando la humedad del aire en cada lugar. Por ejemplo, en Argentina, los vientos provenientes del Atlántico y de la región amazónica fluyen hacia el sur provocando un típico día de verano caluroso y húmedo.

El agua como vapor pasa a ser un componente del aire que, aún estando en pequeñas proporciones y limitado a la capa atmosférica lindante al suelo (troposfera), juega un papel importantísimo en ella y mantiene la vida en la Tierra, generado y movido por la radiación solar, nuestra máquina del tiempo atmosférico.

Ciclo del agua

La Tierra por dentro

El interior de la Tierra es una estructura estratificada. Desde el exterior hacia el interior, detallaremos a en este apartado cada uno de los estratos.

La corteza es el estrato (capa) sólido más externo de la Tierra, formado por tres tipos de rocas: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Comparada con el resto de las capas que conforman el planeta, es muy delgada: tan solo representa el 0,3% del radio terrestre. Se subdivide en continental y oceánica. La continental tiene mayor espesor, complejidad y antigüedad que la corteza oceánica, e incluye también a las plataformas continentales y el talud continental.

La corteza continental es la capa de rocas externa de la Tierra, tiene un espesor de entre 25 y 75 km –el espesor se incrementa debajo de las cadenas montañosas–, con una densidad de 2,7 gramos por centímetro cúbico (g/cm³). Comprende los continentes geográficos y las plataformas continentales sumergidas a poca profundidad. Las rocas que la forman son ígneas, sedimentarias y metamórficas. Más del 90% de átomos de la corteza terrestre pertenecen al silicio, al oxígeno y al aluminio. Por sus propiedades, podríamos distinguir en ella tres capas:

• Sedimentaria: capa más superficial, formada por rocas replegadas que forman parte de las cordilleras actuales y antiguas de los continentes y sedimentos recientes. Su espesor varia entre 0 y 3 km, con una densidad media de 2,5 g/cm³.

• Granítica: posee una densidad de 2,7 g/cm³ y un espesor medio del orden de 10 a 15 km. Además de granitos se encuentran gran variedad de rocas metamórficas.

• Basáltica: capa más profunda, con un espesor de 10 a 20 km y densidades de 2,9 g/cm³ o algo superiores. Actualmente se discute la naturaleza de los materiales que la constituyen (anfibolitas, gabros, etc.). La corteza oceánica, tiene un espesor de entre 7 y 10 km, con una una densidad de 3 g/cm³ y presenta tres subcapas horizontales:

▪ Capa de sedimentos (superior): tiene un espesor variable de entre 1 y 2 km, y está formada por material acumulado derivado de las acciones de fenómenos y procesos que actúan en la atmósfera, la hidrosfera y la biosfera. Los sedimentos son depositados, una capa sobre la otra, a temperaturas y presiones relativamente bajas y pueden estar integrados por restos vegetales y/o animales que se van compactando, fragmentos de roca preexistentes de diferentes tamaños, y productos de reacciones