Modulo 1 y 2 El origen del universo PDF

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Modulo 1 El origen del universoPrincipales teoríasEn la actualidad, hay numerosas teorías que intentan explicar el origen del universo; la más aceptada es del Big Bang, que se basa en la idea de que el universo se formó hace 13 ± 120 millones de años en un instante definido y aún hoy continúa expand...

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Modulo 1 El origen del universo Principales teorías En la actualidad, hay numerosas teorías que intentan explicar el origen del universo; la más aceptada es del Big Bang, que se basa en la idea de que el universo se formó hace 13.730 ± 120 millones de años en un instante definido y aún hoy continúa expandiéndose. Luego de este “instante cero”, comenzó a expandirse, con una temperatura muy elevada. Una gran cantidad de energía y materia separaba todo. Después de la explosión y expansión, el universo comenzó a enfriarse, y con ello se generaron los protones, neutrones y electrones, que serían los que, posteriormente, permitirían la aparición de los planetas, de las estrellas y de toda la materia que forma parte del universo. Por lo tanto, de acuerdo con esta teoría, el universo aún continúa enfriándose y expandiéndose. Con el tiempo, los protones y neutrones conformaron los núcleos atómicos y comenzaron a captar electrones. Los elementos que se formaron inicialmente fueron hidrógeno y helio. En cambio, los elementos más pesados se formarían posteriormente con el nacimiento y muerte de las estrellas; este fenómeno se verá en los apartados subsiguientes. Big Bang. La fabricación de átomos: formación Los átomos que conocemos, y cuya combinación forma los diferentes elementos presentes en la tierra, el agua, los minerales y las rocas, no surgieron de manera espontánea, sino que son resultado del nacimiento y muerte de las estrellas. A continuación, veremos brevemente cómo es el proceso para comprenderlo mejor. Nacimiento y vida de la estrella Las estrellas son masas súper calientes constituidas por hidrógeno y helio, que son los combustibles que le permiten “vivir” durante millones de años. La vida de una estrella transcurrirá en función de su masa, es decir, las estrellas más pequeñas vivirán menos que las de mayor masa, por la obvia razón de que tienen menos combustible. Cuando el hidrógeno comienza a disminuir, la estrella empieza a consumir el helio y, cuando este se agota, se contrae y forma berilio, que es consumido cuando ya se agotó el helio. Con el agotamiento del combustible, se van formando elementos más pesados, que son los que hoy conforman nuestro planeta Tierra, lo cual nos hace pensar los millones de años que tiene el universo para estar formado por elementos tan pesados como el U (uranio) (Fig. 2). Como mencionamos anteriormente, cuando el hidrógeno se consume, comienzan a emplearse elementos más pesados que tienen como objetivo evitar la muerte de la estrella. Con la consumición de elementos más pesados, la estrella se contrae, adopta una morfología similar a la de una “cebolla” y aloja los elementos químicos más pesados en su núcleo. Al contraerse y emplear como combustibles esos elementos, gana energía para unir átomos; esta energía se acaba cuando se consume el hierro, tal como se muestra en la Figura 3. Muerte de la estrella De acuerdo con la masa de la estrella, será su vida, y también su muerte. Las estrellas con masas superiores a las del Sol forman estrellas de neutrones o supernovas. Una vez que consume el hierro, la estrella decae y se torna inestable; esto hace que las capas que la conformaban colapsen sobre sí mismas. A causa de ello, se genera una explosión llamada

supernova, y la materia remanente será una estrella de neutrones. Al explotar, los elementos que la conformaban salen despedidos al espacio y se esparcen por todo el universo Componentes del universo A continuación, mencionaremos las características más sobresalientes de cada uno de sus componentes. Sistemas planetarios. Están conformados por una estrella y por planetas que giran en torno a ella. P. ej., el sistema solar. Asteroides, meteoritos y cometas. Estos cuerpos son desechos cósmicos, o sea, planetas que no alcanzaron a formarse; lo que los diferencia varía en si orbitan o no. Los asteroides poseen órbita estable; el más conocido es el cinturón de asteroides que se ubica entre Marte y Júpiter. Los meteoritos, en cambio, son asteroides más pequeños, pero que orbitan. Finalmente, los comentas orbitan, pero están constituidos por rocas y gases. Las estrellas y los elementos químicos. Galaxias. Son conjuntos de estrellas, planetas y energía. Pueden tener formas ovaladas o elípticas. Cuásares: son fuentes de energía electromagnética de origen desconocido. Polvo cósmico. Materia oscura: ocupa una tercera parte del espacio y, a diferencia de los cuásares, no emite ningún tipo de energía electromagnética. El sistema planetario solar. Características físicas del conjunto Sol- planetas El sistema solar está formado por el Sol y por cuerpos celestes que orbitan a su alrededor, denominados planetas. Dicho sistema, pertenece a la galaxia Vía Láctea , que además está formada por miles de millones de estrellas. El sistema solar se encuentra en la constelación de Orión y está conformado por ocho planetas, que se clasifican en rocosos o interiores (Mercurio, Venus, Tierra y Marte) y exteriores o gaseosos (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno). Estos últimos se denominan así porque están constituidos por gases; los gases, al estar cerca de una fuente de calor como el Sol, aumentan su energía térmica y su energía cinética. Al alejarse del Sol, la temperatura disminuye; esto hace que se vuelvan estables y conformen los planetas gaseosos (Fig. 4). Como indican Tarbuck, Lutgens y Tasa (2005), en el espacio, los planetas son aquellos que no están dotados de luz propia, sin embargo, son iluminados por la luz solar. Como ya mencionamos, nuestro sistema solar está conformado por ocho planetas; se clasifican en interiores o rocosos y en exteriores o gaseosos (Tabla 1). Planetas interiores: (sólidos y enanos) Mercurio: es el primer planeta que gira alrededor del Sol, se lo considera un planeta interior, emplea un tiempo de 88 días en dar una vuelta alrededor del sol y tiene una coloración amarilla rojiza.

Venus: también denominado lucero del alba o lucero vespertino, es el segundo planeta que gira alrededor del Sol, se lo considera el segundo planeta interior. Demora 225 días en dar una vuelta solar. Tierra: es el tercer planeta que gira alrededor del Sol. Se lo considera tercer planeta interior. Para dar la vuelta al sol, la tierra demora 365 días, 5 horas, 48 minutos y 45 segundos. Tiene un solo satélite, la Luna. Marte: es el cuarto planeta que gira alrededor del Sol, tarda 687 días en completar su órbita, posee 2 satélites: Deimos y Fobos; su coloración, rojiza. Planetas exteriores: (gaseosos y gigantes) Júpiter: emplea 11 años en dar una vuelta solar; posee 67 satélites, su aspecto es de blanco amarillento. Saturno: tarda 29 años en completar el recorrido por su órbita; posee 62 satélites, es de aspecto amarillo rojizo. Urano: emplea 84 años en dar una vuelta alrededor del sol; tiene 27 satélites. Neptuno: emplea 164 años en dar una vuelta solar; posee 14 satélites (Tarbuck et. al., 2005). Los planetas no se encuentran inmóviles en el espacio, sino que se mueven. Los movimientos más importantes son los de rotación y traslación. La rotación se produce cuando el planeta gira en torno a su eje, y la traslación, cuando se desplaza a lo largo de su órbita, en este caso, alrededor del Sol. La rotación tiene una duración de un año calendario y define las estaciones. La traslación el movimiento al alrededor del Sol y varía según cada planeta. A mayor distancia, más tardará en recorrer su órbita. La Tierra La Tierra es el planeta rocoso de mayor masa y es el único que, hasta el momento, se conoce que alberga la vida. Esto es factible gracias a que posee una atmósfera que permite que el planeta no sea muy frío ni muy cálido. El 70 % del planeta se encuentra cubierto por agua, agente primordial en la regulación de la temperatura.

La Tierra es un geoide, o sea, no tiene forma esférica, es más similar a una elipse. En el ecuador, se ensancha unos 21 km y, en los polos, es achatada (Fig. 5).

La Tierra se formó por acreción de fragmentos rocosos, que, por el choque de cometas, la rotación y la descomposición radiactiva de algunos elementos, pudo calentarse y diferenciarse en capas; así se conformó el planeta que hoy conocemos. Según dataciones de las rocas más antiguas de la tierra, los cratones, su edad se estima en 4600 Ma. Debido al calentamiento, se formaron los volcanes, lo que provocó la salida de roca fundida, que, con el tiempo, constituyó los continentes. A su vez, los vapores formaron la atmósfera y los océanos. En ese “caldo primordial”, surgió la vida. La estructura en capas de la Tierra: composición, características físicas Paradójicamente, gran parte de nuestro conocimiento del interior de la Tierra proviene del estudio de meteoritos, cuya composición se cree que es similar a la del núcleo terrestre. Por otro lado, se sabe que el interior de la Tierra se encuentra dividido en capas . Si las clasificamos por su composición química, podemos dividirlas en (desde el interior al exterior): núcleo (interno y externo), manto y corteza. Si dividimos las capas según su comportamiento mecánico, encontramos (del interior al exterior): núcleo (interno y externo), mesósfera, astenósfera y litósfera. Esta última se conoce por el estudio del tiempo de propagación de las ondas sísmicas reflejadas y refractadas por los terremotos, ya sea natural o inducido. Estructura externa de la Tierra El ambiente físico de la Tierra se divide tradicionalmente en cuatro partes principales: la tierra sólida (litósfera), la porción acuosa (hidrósfera), la cubierta gaseosa de nuestro planeta (atmósfera) y la que sostiene la vida, la cual resulta de la combinación de las otras tres, la biósfera (Fig. 6). Atmósfera: es la capa más externa de la Tierra y está conformada por gases. Su espesor aproximado es de 1100 km. Hidrósfera: es la capa compuesta por el agua en todos sus estados. Biósfera: es la esfera de la Tierra que contiene la vida y surge de la combinación de las otras. Geósfera: está compuesta, sobre todo, por la corteza terrestre, donde se centra nuestro estudio; se divide, a su vez, en continental y oceánica. Estructura interna de la tierra A medida que nos adentramos en el interior de la Tierra, se produce un aumento de la presión y de la temperatura. Se calcula que la temperatura crece 1 °C cada 30 m, a eso se le denomina gradiente geotérmico. Cálculos basados en la experimentación y modelos indican que, a 100 km, la temperatura oscila entre 1200 °C y 1400 °C, mientras que, en el límite del núcleo manto, se estima una temperatura de unos 4500 °C, que puede superar los 6700 °C en el centro de la Tierra. El interior de la Tierra se puede analizar desde dos puntos de vista, uno químico y otro mecánico (Fig. 7). Desde el punto de vista químico, la tierra se divide en corteza, capa externa y fina. Su grosor es de aproximadamente 3 km, bajo las dorsales oceánicas, y más de 70 km debajo de cinturones montañosos, tales como el Himalaya. A su vez, se subdivide en corteza continental y oceánica. La corteza continental tiene una composición media similar a la de un granito; por su

parte, la corteza oceánica tiene una composición basáltica y es más joven y densa que la corteza continental. Las rocas de la corteza oceánica tienen una densidad de 3 g/cm3 y una edad media de 180 millones de años (era). En cambio, las rocas de la corteza continental tienen una densidad de 2,7 g/cm3 y una edad aproximada de 3800 Ma.

Debajo de la corteza se encuentra el manto. Se extiende desde la base de la corteza hasta una profundidad de unos 2.900 km, es sólido y su densidad, que aumenta con la profundidad, es estimativamente de 3,3 a 6 g/cm3. El manto se divide en dos: manto inferior o mesósfera y manto superior. El primero se extiende desde el núcleo-manto hasta una profundidad de 660 km; mientras que el manto superior, se extiende hasta la base de la corteza. El manto se encuentra constituido por forsterita y fayalita (olivinos). Por último, el núcleo, se trata de una composición de hierro y níquel. Su densidad media es de 11 g/cm3 y se divide en interno y externo. El núcleo interno es sólido, mientras que el núcleo externo puede fluir. El calor del núcleo proviene de la desintegración radiactiva de uranio y otros elementos. Por último, el núcleo, se trata de una composición de hierro y níquel. Su densidad media es de 11 g/cm3 y se divide en interno y externo. El núcleo interno es sólido, mientras que el núcleo externo puede fluir. El calor del núcleo proviene de la desintegración radiactiva de uranio y otros elementos. Desde el punto de vista mecánico, la capa externa de la Tierra comprende la corteza y el manto superior. Ambos elementos forman un nivel relativamente rígido y frío. Sus composiciones químicas son diferentes, pero, mecánicamente, se comportan como un sólido frágil frente a la deformación. Esta unidad rígida, fría y externa se denomina litósfera. Tiene un grosor medio de unos 100 km y puede alcanzar hasta 250 km debajo de los escudos. Ésta se divide en doce placas tectónicas rígidas (Fig.8). Debajo de la litósfera (a una profundidad de unos 660 km), se encuentra la astenósfera. Se trata de una capa que tiene un comportamiento reológico visco-plástico. Esta característica se encuentra directamente ligada al movimiento de las placas tectónicas. En la parte superior de la astenósfera, se produce un aumento de la temperatura y de la presión, lo cual explica que las rocas se encuentren fundidas (Fig. 8).

El campo gravitatorio, el campo magnético, el flujo térmico y el origen del calor interno El campo magnético terrestre convive con nosotros día a día y es el responsable que no nos encontremos flotando en el espacio. Sin embargo, su presencia resulta imperceptible para la mayoría de los seres vivos. Sin embargo, sin su presencia, no hubiese sido posible que hoy estemos aquí escribiendo sobre ello. Por un lado, gracias a las efusiones volcánicas, se fue formando la atmósfera que nos permite respirar y, junto con el campo magnético, nos protege de las intensas radiaciones cósmicas. Ahora conoceremos más sobre su origen. El campo gravitatorio El concepto de campo gravitatorio se estudia más ampliamente en Física, ya que su definición se vincula con definiciones de la Física clásica newtoniana y la Física relativista. Aquí solo nos limitaremos a decir que la Tierra posee un campo gravitatorio, que es una región del espacio donde, colocada una masa en alguno de sus puntos, experimenta una fuerza gravitatoria. A partir de esta premisa, podemos asegurar entonces que todos los planetas tienen un campo gravitatorio y que este dependerá de su masa. El campo gravitatorio es una propiedad física comunicada al espacio por una masa M, es una fuerza conservativa y estacionaria. El campo magnético de la Tierra La Tierra posee un campo magnético, cuyo comportamiento se asemeja a un gran imán. Los polos magnéticos se denominan polo norte magnético y polo sur magnético, aunque sus posiciones reales son opuestas a sus nombres (Fig. 9). Según estudios paleomagnéticos, los polos han modificado su posición a lo largo de la historia de la Tierra; esto se encuentra fosilizado en las rocas del lecho oceánico. Se cree que estas transformaciones influyeron también en los numerosos cambios climáticos a lo largo de la historia geológica. ¿Cuál es el origen del campo magnético terrestre? El interior del núcleo se encuentra conformado por hierro y níquel, dos excelentes conductores de la corriente eléctrica. Si bien el núcleo interno es estático, porque se encuentra en estado sólido, el núcleo externo está fundido y rota; esto genera una corriente eléctrica, y, perpendicular a esta, se forma un campo magnético. El movimiento del núcleo externo es causado por la rotación terrestre y la convección del metal fundido. Las corrientes convectivas se forman por diferencias de temperatura entre el núcleo y el manto. El origen de las corrientes se llama efecto dínamo. Cuando un material conductor se encuentra dentro de un campo magnético, se inducen corrientes eléctricas. En este caso, el material conductor estaría constituido por los metales que componen el manto y el campo magnético propio de la

Tierra. El campo magnético genera corrientes eléctricas, y las corrientes eléctricas, un campo magnético. Es lo que se llama la dínamo autoexcitada. Como las corrientes eléctricas describen trayectorias helicoidales, el campo magnético está orientado en el mismo sentido que el eje de rotación N-S. Por esta razón, la posición de los polos magnéticos es similar a la de los polos geográficos. El flujo térmico y el origen del calor interno El origen del calor interno de la Tierra proviene de la desintegración radiactiva de minerales que componen el núcleo. Estos materiales se acrecionaron en la Tierra primigenia; esto permitió que la materia se fundiera y que los gases liberados formaran la atmósfera, la geósfera, etcétera. Tectónica de Placas. Ciclo de Wilson En el planeta Tierra, los continentes que hoy conocemos no siempre estuvieron en la misma posición, sino que se han unido y separado varias veces a lo largo de la historia geológica. La teoría de tectónica de placas es la que, a través de evidencias fósiles, entre otras, demuestra lo anteriormente mencionado. El movimiento de las placas fue explicado más tarde por Tuzo Wilson, pero, básicamente, él expone que se mueven, ya que se encuentran “flotando” sobre una superficie viscosa, como es la astenósfera. Como ya vimos, la corteza se divide en corteza continental y corteza oceánica. La corteza oceánica es más joven, más delgada y, a medida que nos alejamos de ella, se torna más densa. Si bien la corteza continental es más vieja, es menos densa que la corteza oceánica. Ambas cortezas interactúan en los bordes de placa; los bordes de placas pueden ser activos, por ejemplo, fosas o pasivos donde no hay ningún tipo de interacción con aquellas. Por otra parte, en los márgenes activos, como la palabra lo indica, hay zonas sísmicas y volcánicamente activas; es por ello que resulta importante su estudio. Con el aumento de la población mundial, cada vez son más personas las que viven en estas zonas de alto riesgo. Comienzos de la teoría de tectónica de placas La teoría de tectónica de placas fue planteada a principios del siglo XX por el meteorólogo alemán, Alfred Wegener; ya que había encontrado evidencias fósiles y meteorológicas, entre otras, que sostenían que, por ejemplo, Sudamérica y África habían estado unidas en un pasado geológico. Sin embargo, esta teoría no explicaba el mecanismo por el cual se movían. No fue sino hasta la década del 60 que, tras 40 años de recabar información sobre el fondo marino y sobre el paleomagnetismo, que se pudo explicar su movimiento. Si bien toda esta información permitió un avance en las ciencias geológicas, es lamentable que su importancia inicial respondiera a fines bélicos (las herramientas desarrolladas para obtener fotos del fondo marino tenían como objetivo último determinar la posición de submarinos enemigos). Básicamente, la teoría de tectónica de placas postula que la corteza se crea y se destruye. Se crea en las dorsales meso-oceánicas, que encontramos, por ejemplo, en el océano Atlántico, y se destruye en las fosas, por ejemplo, la fosa Perú-Chile. El surgimiento de esta teoría se remonta a mucho antes de Wegener, quien la postuló. Las pruebas ya habían comenzado a levantar “sospechas” en algunos científicos, como el geólogo suizo Suess. Él estudió la distribución de floras fósiles y de sedimentos de origen glaciar y propuso que, en algún momento del pasado geológico, existió un súper continente compuesto por las actuales India, África y Madagascar; luego, se unieron Australia y Sudamérica. A esta formación la llamó Gondwana. Estos continentes presentaban la misma flora fósil, pero con la ubicación actual era

imposible que esa flora hubiese viajado tantos kilómetros; por eso postuló que la única forma de explicarlo era considerar que los continentes habían estado unidos. Tomando esta idea como base, Wegener se propuso encontrar más pruebas que la fundamentaran. En primer lugar, el geólogo, al igual que otros colegas, sospechó que los continentes habían estado unidos; pues, al ver las costas de África y Sudamérica, percibió que estas coincidían como piezas de un rompecabezas. Además su teoría tomó valor cuando se encontró con la publicación de un artículo científico que versaba sobre la coinci...