Sistemas terrestres y recursos

El 26 de diciembre de 2004, el fondo marino frente a Sumatra se elevó varios metros. El terremoto duró casi diez minutos, y el tsunami que generó mató a aproximadamente 230,000 personas en catorce países. Ocurrió donde una placa se desliza bajo otra. Esta unidad trata sobre la Tierra física sobre la que descansa cada ecosistema: sus placas móviles, su suelo, su atmósfera, sus vientos y agua, y la luz solar que los impulsa.

La capa externa de la Tierra (la litosfera) está dividida en placas rígidas que se mueven unos pocos centímetros al año sobre el manto caliente y lentamente fluido debajo. Esto es la tectónica de placas. La mayoría de los terremotos y volcanes ocurren en los bordes de las placas, los límites de placa.

• Divergente: el magma asciende hacia la brecha y se enfría formando nueva corteza. En el fondo oceánico esto es la expansión del lecho oceánico (la dorsal de Mid-Atlantic); en tierra firme crea un rift (África Oriental). Islandia se encuentra sobre la dorsal de Mid-Atlantic.
• Convergente: cuando una placa oceánica encuentra una continental, la placa oceánica más densa se hunde bajo ella. Esto es la subducción. Al hundirse profundamente, el agua liberada reduce el punto de fusión de la roca del manto superior, que se funde; el magma asciende para formar volcanes (los Andes). Cuando dos placas oceánicas se encuentran, la subducción forma una cadena de islas volcánicas, un arco insular (Japón, Filipinas). Cuando dos continentes chocan, ninguno se hunde, por lo que la corteza se pliega formando altas montañas (el Himalaya).
• Transformante: las placas se rozan lateralmente, como la Falla de San Andreas en California.

Por qué ocurren los terremotos. Entre terremotos, la fricción bloquea ambos lados de una falla mientras las placas continúan moviéndose, acumulando tensión en la roca. Cuando la tensión supera la fricción, la falla se rompe repentinamente y la energía almacenada se libera como un terremoto.

Puntos calientes son lugares donde un pluma de manto caliente asciende bajo el centro de una placa, como bajo Hawái. La placa se mueve sobre el punto caliente fijo, dejando una línea de volcanes que envejecen a medida que se alejan del punto caliente.

En un mapa de límites de placas se puede predecir dónde se encontrarán volcanes, terremotos, arcos insulares y fallas. Los límites de placas traen riesgos, pero también suelos volcánicos fértiles y depósitos minerales.

Ejemplo resuelto (tasa). Una placa se mueve 5 cm por año. En 1 millones de años se mueve $5\ \text{cm/yr}\times 10^{6}\ \text{yr}=5\times10^{6}\ \text{cm}$. Conversión: $5\times10^{6}\ \text{cm} \div 100 = 5\times10^{4}\ \text{m} = 50\ \text{km}$. Los movimientos anuales pequeños abren océanos con el tiempo geológico.

El suelo es una mezcla de roca meteorizada, materia orgánica, agua, aire y seres vivos. Se forma cuando el material parental (roca local o material depositado) se descompone por meteorización y se mezcla con materia orgánica; no es necesario que haya transporte.

• Meteorización física: la roca se fragmenta en piezas más pequeñas sin cambiar su química, por ejemplo por la expansión del hielo en grietas, raíces o viento y agua.
• Meteorización química: la roca cambia debido a reacciones químicas, por ejemplo por la lluvia ácida disolviendo la piedra caliza.
• Actividad biológica: plantas, hongos, lombrices y bacterias añaden materia orgánica y mezclan el suelo. La materia muerta se descompone formando humus oscuro.

El suelo se forma muy lentamente: aproximadamente 2–3 cm en cientos de años o más. Se forma más rápido en climas cálidos y húmedos, donde la meteorización y la descomposición son más rápidas, y más lento en lugares fríos o secos. En un paisaje volcánico nuevo, la sucesión primaria comienza con líquenes y musgos, que descomponen la roca y añaden materia orgánica hasta que hay suficiente suelo para gramíneas, luego arbustos y árboles.

Horizontes del suelo. A medida que el suelo se desarrolla, forma capas llamadas horizontes:

Erosión es la remoción del suelo por viento o agua. Es natural, pero las personas la aceleran al eliminar la cobertura vegetal: agricultura en campos descubiertos, tala de bosques, sobreexplotación ganadera y construcción. El suelo erosionado termina en los ríos como sedimento, lo que enturbia el agua (alta turbidez), bloquea la luz para las plantas acuáticas y entierra huevos de peces. Un suelo sano también filtra y limpia el agua que lo atraviesa, por lo que proteger el suelo protege la calidad del agua.

Como el suelo se forma mucho más lento de lo que puede erosionarse, el horizonte superficial perdido en unos pocos años puede tardar siglos en reemplazarse.

Las partículas del suelo se clasifican por tamaño en tres grupos:

La mezcla de arena, silte y arcilla constituye la textura del suelo. La textura controla tres propiedades:

• Porosidad: la fracción del suelo que es espacio vacío.
• Permeabilidad: la velocidad con la que el agua se mueve a través del suelo. La arena tiene poros grandes y conectados, con alta permeabilidad; la arcilla tiene poros diminutos y baja permeabilidad.
• Capacidad de retención de agua: la cantidad total de agua que puede retener el suelo. La arcilla y el humus retienen la mayor cantidad; la arena, la menor.

La arcilla también retiene bien los nutrientes, porque sus partículas diminutas tienen una enorme superficie. El loam, una mezcla de aproximadamente 40% de arena, 40% de silte y 20% de arcilla, es ideal para la mayoría de las plantas: drena bien pero aún así retiene agua y nutrientes.

El triángulo de textura del suelo. Un triángulo de textura del suelo clasifica un suelo según sus porcentajes de arena, silte y arcilla. Ubique el porcentaje de arcilla en el lado izquierdo, el de silte en el derecho y el de arena en la parte inferior; siga las líneas desde cada lado hasta donde se cruzan y lea la clase resultante. Los tres porcentajes siempre suman 100.

Ejemplo resuelto. Una muestra de suelo contiene 10% de arena y 60% de arcilla. El silte es $100 - 10 - 60 = 30\%$. Al leer el triángulo, el punto se ubica en la clase de arcilla. Retendrá mucha agua pero drenará lentamente, por lo que podría saturarse.

Pruebas de suelo. Los agricultores analizan el suelo para decidir sobre riego y fertilizantes:

• Químicas: pH y nutrientes como nitrógeno, fósforo y potasio.
• Físicas: textura (mediante la sedimentación de una muestra en un frasco con agua: la arena se asienta primero, luego el silte y finalmente la arcilla), capacidad de retención de agua y velocidad de infiltración.
• Biológicas: número de lombrices y microorganismos, y cantidad de materia orgánica.

La atmósfera es la capa de gases que rodea la Tierra. El aire seco contiene aproximadamente 78% de nitrógeno ($\text{N}_2$), 21% de oxígeno ($\text{O}_2$), 0.93% de argón y aproximadamente 0.04% de dióxido de carbono, además de trazas de otros gases. El vapor de agua varía entre 0 y aproximadamente 4%. Los gases presentes en pequeñas cantidades tienen un gran efecto: $\text{CO}_2$, el vapor de agua y el metano retienen calor (el efecto invernadero).

La atmósfera se divide en capas definidas por si la temperatura disminuye o aumenta con la altitud:

1. Troposfera (de 0 a aproximadamente 12 km): la temperatura disminuye con la altitud. Contiene cerca del 75% de la masa del aire y casi todo el vapor de agua, por lo que allí ocurren todos los fenómenos meteorológicos.
2. Estratosfera (de aproximadamente 12 a 50 km): la temperatura aumenta con la altitud porque la capa de ozono presente absorbe la luz ultravioleta (UV) del Sol. Este ozono protege la vida de los rayos UV nocivos.
3. Mesosfera (de aproximadamente 50 a 85 km): la temperatura vuelve a descender; es la capa más fría. Los meteoro se desintegran aquí.
4. Termósfera (aproximadamente de 85 a 600 km): la temperatura aumenta bruscamente cuando los gases absorben radiación solar de alta energía. Aquí ocurren las auroras.
5. Exosfera: el borde exterior delgado, que se fusiona con el espacio.

Los patrones globales de viento son impulsados por un calentamiento desigual. La luz solar más intensa llega al ecuador, por lo que el aire allí se calienta más. El aire caliente es menos denso, por lo que asciende. Al ascender se enfría y su vapor de agua se condensa y cae como lluvia intensa: esta es la razón por la que las selvas tropicales se encuentran en el ecuador.

El aire ascendente se expande hacia los polos en altura, se enfría, se vuelve más denso y desciende a unos 30° norte y sur. El aire descendente se calienta y es seco, por lo que los grandes desiertos del mundo (el Sahara, los desiertos australianos) se encuentran cerca de 30°. El aire luego fluye de regreso a lo largo de la superficie hacia el ecuador. Este ciclo es una celda de convección, la celda de Hadley. Dos celdas adicionales (Ferrel y polar) llevan este patrón hacia los polos, con aire ascendente (lluvia) a unos 60° y aire descendente (seco) en los polos.

Debido a la rotación de la Tierra, el aire en movimiento se desvía: hacia la derecha en el Hemisferio Norte y hacia la izquierda en el Hemisferio Sur. Este es el efecto Coriolis. Convierte los vientos superficiales en los vientos predominantes:

• Vientos alisios (0–30°): soplan desde el este hacia el ecuador.
• Vientos del oeste (30–60°): soplan desde el oeste. Transportan el tiempo a través de EE. UU. de oeste a este.
• Vientos polares del este (60–90°): soplan desde el este.

Una cuenca hidrográfica (también llamada cuenca de drenaje) es toda la tierra que drena hacia un río, lago u otro cuerpo de agua. Las elevaciones llamadas divisorias separan una cuenca hidrográfica de la siguiente. Cada cuenca hidrográfica se describe por su área, longitud, pendiente, suelo y vegetación.

Estas características controlan cómo se mueve el agua:

• Pendiente: las pendientes empinadas hacen que el agua se escurra más rápido, causando más erosión e inundaciones.
• Suelo: los suelos permeables permiten que la lluvia se infiltre y recargue las aguas subterráneas; las superficies de arcilla o pavimentadas aumentan el escurreimiento superficial.
• Vegetación: las raíces de las plantas sujetan el suelo y las hojas frenan la lluvia, por lo que las cuencas hidrográficas forestales tienen agua limpia y flujo constante.

Cualquier cosa sobre la tierra termina río abajo: fertilizantes de granjas, aceite de carreteras, sedimentos de sitios de construcción. Por lo tanto, deforestar una cuenca hidrográfica aumenta el sedimento y la turbidez en sus arroyos, así como la temperatura del agua (menos sombra). Las inundaciones naturales son útiles: cuando un río inunda su planicie de inundación, deposita sedimentos fértiles y rellena humedales y aguas subterráneas.

Eliminación de la vegetación ribereña. La franja de árboles y plantas a lo largo de un río constituye su zona riparia. Si se elimina, las orillas se erosionan más rápidamente, el canal se ensancha y se desplaza; llega más sedimento y nutrientes al agua; y, con menos sombra, el agua se calienta y retiene menos oxígeno. Los peces que ponen sus huevos en grava limpia pierden sus sitios de reproducción cuando el sedimento la cubre.

Ejemplo resuelto (balance hídrico de una cuenca). Una cuenca hidrográfica aporta en promedio 9.60 millones de pies-acres (maf) de agua a un embalse cada año. Un maf equivale a $3.26 \times 10^{11}$ galones, y un hogar consume $5.0 \times 10^{4}$ galones al año. ¿Cuántos hogares podría abastecer esta agua durante un año?

1. Conversión a galones: $9.60 \times 3.26 \times 10^{11} \approx 3.13 \times 10^{12}$ galones.
2. División entre el consumo por hogar: $\dfrac{3.13 \times 10^{12}}{5.0 \times 10^{4}} \approx 6.3 \times 10^{7}$ hogares, aproximadamente 63 millones.
3. En un año de sequía cuando el río fluye solo al 36% de su promedio, esa misma cantidad de agua abastece a $0.36 \times 63 \approx 23$ millones de hogares.

Mantén las unidades en cada línea, y divide las potencias de diez restando exponentes ($10^{12} \div 10^{4} = 10^{8}$).

La insolación (radiación solar entrante) es la principal fuente de energía de la Tierra. Cuánto recibe un lugar depende del ángulo de los rayos solares. Cerca del ecuador, los rayos golpean la superficie casi de frente, por lo que la energía de un haz cae sobre un área pequeña. Cerca de los polos, el mismo haz golpea en un ángulo bajo y se extiende sobre un área mucho mayor, por lo que cada metro cuadrado recibe menos energía. También pasa a través de más atmósfera. Esta es la razón por la que la insolación es máxima en el ecuador y disminuye hacia los polos.

Las estaciones son causadas por la inclinación del eje terrestre (aproximadamente 23.5°), no por la distancia de la Tierra al Sol. El eje siempre apunta en la misma dirección en el espacio. En junio, el hemisferio norte está inclinado hacia el Sol: el Sol está más alto en el cielo, sus rayos llegan más directamente y los días son más largos, por lo que en el norte es verano. Al mismo tiempo, el hemisferio sur está inclinado en sentido opuesto y allí es invierno. En diciembre, la situación se invierte.

Un lugar recibe la mayor cantidad de radiación solar en su día más largo de verano y la menor en su día más corto de invierno. Cerca del ecuador, la duración del día y la insolación cambian poco durante el año, por lo que la temperatura varía poco, aunque las estaciones húmeda y seca pueden ser muy marcadas.

El tiempo atmosférico es el estado del aire en un día determinado; el clima es el patrón promedio durante 30 años o más. El clima depende de la energía del Sol, pero también de la geografía:

• Latitud: mayor latitud, menor insolación, más frío.
• Altitud: el aire se enfría aproximadamente 6.5 °C por cada 1000 m de altura, por lo que las montañas son más frías.
• Océanos: el agua se calienta y se enfría lentamente, por lo que los lugares costeros tienen climas más suaves que los interiores. Las corrientes oceánicas transportan calor: la Corriente del Golfo mantiene a Europa occidental más cálida de lo que sugiere su latitud.
• Montañas: bloquean los vientos y crean sombras de lluvia.

Una sombra de lluvia se forma cuando un viento húmedo encuentra una cadena montañosa. El aire es forzado a ascender por el lado barlovento, se enfría y su vapor de agua condensa y cae como lluvia. El aire que cruza la cima ha perdido su humedad; desciende por el lado ** sotavento** y se calienta, por lo que ese lado es seco. el Valle de la Muerte en California se encuentra en la sombra de lluvia de la Sierra Nevada.

El Niño y La Niña son cambios en la temperatura superficial del Océano Pacífico tropical y en los vientos sobre él, que se repiten cada pocos años. Juntos se denominan Oscilación del Sur de El Niño (ENSO).

Un año normal. Fuertes vientos alisios soplan de este a oeste a través del Pacífico. Empujan el agua superficial caliente hacia el oeste, hacia Indonesia y Australia, donde el agua caliente calienta el aire, que asciende y trae lluvias intensas. Frente a la costa de Perú, los vientos empujan el agua superficial lejos de la costa y el agua fría y rica en nutrientes asciende desde abajo. Este upwelling alimenta al plancton y sostiene una de las pesquerías más ricas del mundo.

El Niño. Los vientos alisios se debilitan o incluso invierten su dirección. El agua cálida se extiende hacia el este a través del Pacífico hasta Sudamérica. El afloramiento frente a Perú se debilita, por lo que disminuyen el plancton y las capturas de peces. La lluvia se desplaza hacia el este con el agua cálida: Perú y Ecuador sufren inundaciones, mientras que Indonesia y Australia experimentan sequías e incendios forestales. Los efectos se extienden por todo el mundo: el sur de Estados Unidos suele tener un invierno más húmedo.

La Niña es lo opuesto: los vientos alisios se vuelven más fuertes de lo normal, el Pacífico oriental se vuelve más frío de lo normal, aumenta el upwelling y el oeste recibe aún más lluvia. El sur de EE. UU. generalmente tiene un invierno más seco y los huracanes del Atlántico son más comunes.

El mismo evento afecta a los lugares de manera diferente, dependiendo de dónde estén y su geografía.

Responda cada pregunta antes de leer las respuestas siguientes.

1. Describe qué ocurre donde una placa oceánica se encuentra con una placa continental y nombra dos estructuras que se forman.
2. Un suelo contiene $40\%$ de arena, $40\%$ de limo y $20\%$ de arcilla. Indica su textura y qué tipo de suelo drena más rápido.
3. Nombra la capa de la atmósfera donde ocurren los fenómenos meteorológicos y la capa que contiene la capa de ozono.
4. Explica cómo una cordillera crea una sombra pluviométrica.
5. Describe cómo un episodio de El Niño afecta a la pesca frente a las costas de Perú.
6. Explica qué causa las estaciones de la Tierra.

1. La placa oceánica, que es más densa, se hunde bajo la placa continental (un límite convergente), formando una fosa oceánica profunda y volcanes, además de producir terremotos.
2. Suelo franco. El suelo arenoso drena más rápido: sus partículas grandes dejan poros grandes.
3. La troposfera; la estratosfera.
4. El aire húmedo asciende por la ladera de barlovento, se enfría y produce lluvia. El aire que desciende por la ladera de sotavento es seco y se calienta, por lo que ese lado es un desierto.
5. Los vientos alisios se debilitan, el agua cálida se extiende hacia el este y disminuye el afloramiento de agua fría rica en nutrientes frente a Perú. Disminuye el plancton y también las capturas de peces (anchoveta).
6. El eje de la Tierra está inclinado aproximadamente $23.5^\circ$, por lo que, mientras la Tierra orbita alrededor del Sol, cada hemisferio recibe luz solar más directa y tiene días más largos durante una parte del año. La distancia al Sol no es la causa.

• Asocia cada límite de placa con lo que produce: divergente (expansión, valles de rift), convergente (subducción, volcanes, montañas, arcos de islas, fosas), transformante (solo terremotos).
• Para explicar los volcanes de subducción: la placa más densa se hunde y libera agua, lo que reduce el punto de fusión de la roca del manto situada encima; esa roca se funde y el magma asciende.
• Conoce los horizontes del suelo (O, A, B, C, R) y usa el triángulo de texturas: los tres porcentajes suman 100.
• La arena drena rápido y retiene poca agua; la arcilla retiene mucha pero drena lentamente; el limo es el mejor para cultivos.
• Capas de la atmósfera: troposfera (clima), estratosfera (la capa de ozono absorbe la radiación UV, por lo que se calienta con la altitud).
• Vientos globales: el aire ascendente en el ecuador (lluvia), el aire descendente en 30° (desiertos); el efecto Coriolis desvía los vientos.
• Las estaciones se deben a la inclinación del eje de la Tierra, no a su distancia al Sol.
• Una sombra pluviométrica es seca en el lado lecho (bajo viento). Indique qué lado recibe lluvia y por qué: el aire ascendente se enfría y condensa.
• El Niño: los vientos alisios se debilitan, el agua cálida se desplaza hacia el este, el afloramiento se debilita frente a Sudamérica y disminuyen las capturas pesqueras.