Fundamentos de Geología y Ciencias Atmosféricas: Un Enfoque Integral

Introducción a la Geología y Ciencias Atmosféricas

La corteza terrestre ocupa el 0.6% del volumen, y el 0.4% de la masa total del planeta. Es muy delgada en comparación con el radio de la Tierra: bajo los océanos tiene en promedio unos 7 km de espesor, que aumenta a 35-40 km bajo los continentes. Bajo la corteza, se encuentran sucesivamente el manto y el núcleo externo, que son fluidos, y el núcleo interno, ubicado en el centro del planeta, que es sólido. Estos niveles representan probablemente distintas composiciones químicas, pero también existe una clasificación basada en el comportamiento físico. Esta reconoce la existencia de la litósfera, la capa externa, rígida de la Tierra, que está compuesta por placas tectónicas y corresponde a los primeros 75-100 km de profundidad. Estas placas flotan sobre una parte parcialmente fundida del manto, la astenósfera, de unos 200 km de espesor. El magma en esta zona, con una T° cercana a la fusión, puede fluir, aunque sea lentamente. Esto conlleva que las placas litosféricas (tectónicas) se puedan desplazar.

Hasta hace unos 35 años, los geólogos creían que la corteza era inmóvil, y que los continentes se habían formado en los inicios de la historia del planeta. Hoy, gracias a la Teoría de la Deriva de los Continentes, propuesta por el meteorólogo alemán Alfred Wegener en 1912 (pero muy tardíamente reconocida), sabemos que los continentes se desplazan, y que la corteza marina en existencia se formó recién en los últimos 200 millones de años. Esto representó una verdadera revolución intelectual en el pensamiento geológico, a fines de los años 60.

Nociones de Geología

Los procesos que alteran la superficie pueden dividirse en constructivos y destructivos. La climatización, la erosión, y la remoción en masa degradan el paisaje, tendiendo a nivelar el relieve, al remover los materiales desde alturas y depositarlos en zonas más bajas.

• Climatización: se refiere a la desintegración y descomposición de las rocas en la superficie del terreno, por procesos físicos, químicos, y biológicos.
• Erosión: es el transporte del material descompuesto por algún agente móvil: agua, viento, o hielo.
• Remoción en masa: es transferencia de material cerro abajo, por gravedad.

Los principales determinantes de las tasas de climatización son factores climáticos, particularmente los regímenes de T° y humedad. Los fragmentos minerales producidos, junto con agua, aire, y materia orgánica o humus (restos en descomposición de plantas y minerales), conforman el suelo, que permite la vida de las plantas, y por ende de todo lo demás.

Los procesos constructivos, que crean relieve, contrarrestando a los anteriores, son el vulcanismo y la orogénesis (formación de cadenas montañosas), que dependen del calor interno de la Tierra. Quedan explicados por la tectónica de placas, el modelo aceptado del funcionamiento interno de la Tierra, que surgió de la Teoría de la Deriva de los Continentes propuesta por Alfred Wegener en 1912.

Un mineral es un sólido inorgánico de ocurrencia natural, que posee una estructura interna definida y una composición química específica. Una roca es un agregado de uno o más minerales. El concepto de un Ciclo de las Rocas permite entender el origen de los tres tipos básicos de rocas, y cómo procesos geológicos transforman un tipo de roca en otro. Fue propuesto a fines del siglo XVIII por James Hutton, y representa el marco básico de las ciencias geológicas.

Las rocas ígneas se originan al cristalizar, es decir, al enfriarse y solidificar, el magma. Esto puede ocurrir bajo la superficie (rocas ígneas intrusivas o plutónicas), o sobre ésta, al solidificar lava (rocas ígneas extrusivas o volcánicas). Se plantea que la corteza original del planeta consistía exclusivamente de rocas ígneas.

Al exponerse rocas ígneas a la superficie, por procesos tectónicos, éstas sufrirán climatización, descomponiéndose lentamente la roca. Los materiales producidos serán tomados, transportados, y luego depositados por alguno de los agentes de erosión: gravedad, aguas corrientes, glaciares, viento, y olas. Estas partículas (y substancias disueltas) conforman los sedimentos, los que serán depositados al disminuir la capacidad de transporte. En particular, grandes cantidades de sedimentos se depositan como capas horizontales en el fondo de los mares.

Estos depósitos sufren litificación (son convertidos en rocas) al ser compactados por presión, o cementados por materia mineral, resultando una roca sedimentaria. Si ésta se somete a altas presiones y temperaturas, puede convertirse en el tercer tipo de roca, una roca metamórfica. A temperaturas y presiones aún mayores, se fundirá creando magma, el cual puede eventualmente solidificar, formando nuevamente una roca ígnea y cerrando el ciclo.

Este ciclo no siempre ocurre en forma completa, pudiendo darse corto circuitos. Por ejemplo, rocas ígneas pueden sufrir metamorfización directamente, y cualquier tipo de roca puede ser expuesto a la intemperie y sufrir climatización, generando sedimentos.

Cuando se propuso el ciclo, poco se sabía acerca de los procesos que transforman las rocas; sólo había evidencia de que sí ocurrían tales cambios. La teoría de la tectónica de placas aclaró la película.

Uniformitarianismo: concepto fundamental en la geología moderna, que plantea que las leyes físicas, químicas, y biológicas que operan hoy, también lo hicieron en el pasado. Es decir, las fuerzas y procesos que observamos dando forma al planeta lo han estado haciendo desde hace mucho tiempo. “El presente es la clave para entender el pasado”. Históricamente, surgió como una respuesta al modelo catastrofista.

Nociones de Ciencias Atmosféricas

Cuando consideramos las distintas variables atmosféricas, tales como T°, precipitación, nubosidad, humedad, viento, y presión, en un lugar e instante dados, estamos hablando del tiempo atmosférico en ese lugar.

Si observamos el tiempo sobre un período lo suficientemente largo (décadas), podemos describir los valores medios y la variabilidad de las distintas condiciones atmosféricas, así como sus patrones estacionales y sus valores extremos. Hablamos entonces del clima en ese lugar.

El clima determina la disponibilidad de agua y la T° en un lugar, los principales factores en la climatización y formación del suelo. Un cierto clima, actuando sobre una determinada geología, determinará el tipo de vegetación que podrá estar presente, afectando también los ciclos del agua y de nutrientes, las tasas de fotosíntesis y descomposición, etc...

El clima resulta de la superposición de efectos a distintas escalas:

• Global: la circulación general de la atmósfera
• Regional (subcontinental): efecto de cadenas montañosas o cuerpos de agua importantes, que alteran los patrones globales
• Local (meso y microescala): valles, orientación de laderas, o presencia de vegetación afectan los patrones impuestos a escala regional.

Circulación general atmosférica

Por tener la radiación solar mayor ángulo de incidencia, las zonas ecuatoriales y tropicales reciben mucho más energía que las templadas o polares. Sin embargo, no existe tanta diferencia en la energía emitida, por lo que debe ocurrir un flujo de calor desde el Ecuador hacia los Polos, para mantener el balance. Esta redistribución de calor sobre el planeta, desde zonas con superávit a zonas con déficit de energía, causa un movimiento de masas de aire que se conoce como circulación general atmosférica. Este patrón general de vientos y presiones (y en menor medida de T° y precipitación) queda determinado por la latitud y la distribución de océanos y continentes. El flujo de energía ocurre principalmente a la forma de transporte de vapor de agua, es decir, como flujo de calor latente. Al condensarse en latitudes altas, el vapor libera al ambiente el calor que absorbió al evaporarse.

Si la tierra no girase, ocurrirían celdas de circulación (convectivas) en sentido N-S, desde las zonas más cálidas a las más frías. Sin embargo, debido a la rotación de la Tierra, los vientos también tienen componente en sentido E-W. De hecho, este efecto de Coriolis causa que cualquier objeto que se mueva libremente se vea desplazado hacia su izquierda en el hemisferio S (sea el viento, el mar, o un obús). El resultado es un esquema de celdas latitudinales que cubren aprox. 30° de latitud c/u.

Debido a la distribución desigual de tierras y océanos, no ocurren bandas continuas, sino que se forman zonas semipermanentes de altas y bajas presiones, conocidas como centros de acción. Las zonas de altas presiones son los anticiclones, que irradian vientos en sentido antihorario (en nuestro hemisferio). Lo anterior define un campo semipermanente de presiones (y vientos asociados), que fluctúa lentamente en forma estacional, siguiendo el ecuador térmico. Al anterior se sobrepone un campo perturbado, a la escala de días, que se debe a la ocurrencia de frentes (de mal tiempo), asociados al paso de ciclones (extratropicales). Estos se originan en las discontinuidades entre masas de aire con características desiguales, que generalmente ocurren en torno a los 60° de latitud (el denominado frente polar).

La circulación general atmosférica determina los patrones de circulación oceánica, es decir, las corrientes marinas, que son también un mecanismo de redistribución de energía sobre el planeta, pero a la forma de calor sensible. De hecho, la circulación atmosférica realiza en torno al 85% de tal intercambio de energía, y las corrientes oceánicas se encargan del resto.

El clima determina la ocurrencia de distintos biomas: ecosistemas regionales de gran extensión, con comunidades de plantas similares. Se dan en dirección E-W, formando una serie de bandas. En montañas, los cambios de T° con la altura causan una zonación similar a la latitudinal, en distancias mucho menores.