Embed Size (px)
DESCRIPTION
sistema solar
Citation preview
Geofísica General
GF3001 Semestre Otoño 2015
Prof. Jaime Campos
Competencias que este curso busca alcanzar :
Interpretar datos geo-sicos, en el contexto de un modelo -sico específico del proceso, siguiendo métodos y procedimientos experimentales.
El curso )ene como propósito introducir al estudiante en la comprensión de los procesos que se desarrollan en la Tierra, y que dan origen a variadas manifestaciones superficiales que son observadas en el día a día.
Se busca que el estudiante logre iden)ficar el origen de estos procesos, los modelos ?sicos que explican su funcionamiento y comprender el planeta como el Sistema Tierra.
Ciencia del Sistema Tierra: Es el estudio de las conexiones e interacciones entre los sub-‐sistemas atmósfera, hidrósfera, biósfera, criósfera (hielo y nieve), Tierra-‐Sólida (litósfera), y “antropósfera” (artefactos y procesos humanos), contrastada con el estudio tradicionalmente disciplinario de cada componente separadamente.
Resultado esperado del curso: el estudiante deberá lograr iden)ficar y comprender los procesos de balances de masa, energía y procesos disipa)vos del Sistema Tierra a través de modelos simples con las nociones del modelamiento geo?sico que le serán entregados.
La estrategia metodológica: ac)va par)cipa)va, donde las clases presenciales serán acompañadas de laboratorios.
Logro de aprendizaje: Iden:fica y proyecta cuan:ta:vamente los efectos de los procesos -sicos de gran escala que ocurren en la Tierra Sólida, u:lizando mediciones y modelos -sico matemá:cos, a fin de comprender estos procesos que ocurren en la Tierra.
El Sistema Tierra interactúa y se conecta con su entorno en el Sistema Solar
En 2013 el satélite Interstellar Boundary Explorer (IBEX) de la Agencia Espacial de Estados Unidos (NASA) logró mapear por primera vez la estructura y los límites de la Heliósfera y verificar que nuestro sistema solar posee una cola no diferente a la de los cometas.
• Los límites de la Heliósfera se encuentran a unos 10 mil millones de kilómetros de la Tierra.
• Este límite, conocido como como Heliopausa, proporciona cierta protección para el sistema solar de la radiación que lo rodea.
Al conocer la naturaleza de estos límites, los cienQficos pueden comenzar a entender mejor la propagación de parQculas que :enen suficiente energía y velocidad para hacer en nuestro entorno.
Balances de los ciclos del Sistema Tierra
Interacción entre los sub-‐sistemas en el planeta
Durante las úl:mas 2 décadas, los cienQficos de las Ciencias de la Tierra han comenzado a comprender que un paradigma reduccionista proporciona un cuadro incompleto de la Tierra.
La Teoría Global de la Tectónica de Placas sólo describe los balances de masa y energé:cos de la :erra sólida, con un énfasis par:cular sobre el origen de las cuencas oceánicas y los sistemas de montañas ac:vas.
En contraste, la Ciencia moderna del Sistema Tierra describe la Tierra como un todo, desde las profundidades del interior del planeta, hasta los procesos superficiales que incluye océanos, atmósfera y los diversos ecosistemas.
Es una aproximación holís:ca.
Reglas del Curso
• Se definirán las fechas de controles (2da clase).
• Clases están orientadas al aprender a aprender: “Los analfabetos del siglo XXI no serán aquellos que no sepan leer y escribir, sino aquellos que no sepan aprender, desaprender y reaprender” (Herbert Gerjuoy, citada por Alvin Toffler en libro El Shock del Futuro, 1970).
• Por lo tanto se les invita a aprender a interrumpirme para hacer todas las preguntas que quieran.
à No teman hacer preguntas; No existen las malas preguntas, sólo una faltan “buenas respuestas”
à Si alguien pregunta algo sin darse cuenta que acabo de explicarlo, les aseguro que lo voy a volver a explicar sin decir que acabo de hacerlo.
à Les doy las máximas garanQas que nunca descalificaré a nadie ni espero tener ac:tudes de superioridad que menoscabe la dignidad de nadie.
à Distraerse es un derecho (di-cil estar plenamente atento por más de 20 minutos seguidos). Pero les ruego evitar perturbar a sus compañeros.
à Hay tres respetos que cuidar: a) el del profesor hacia los estudiantes; b) el de los estudiantes hacia el profesor y c) el que se deben los estudiantes entre sí;
à Deben sen:rse libres de re:rarse en medio de la clase o llegar atrasados siempre que lo hagan discretamente.
Temas del Programa 1. Origen de la Tierra y del Sistema Solar. Edad, Hipótesis de Formación, Planetología comparada. Acreción homogénea,
heterogénea. Modelos composicionales y mineralógicos del interior del planeta. Formación de la Atmósfera. Calor como la fuente de energía de la dinámica interna de la Tierra.
2. Procesos termales. Los modos de transporte del calor. Flujo de calor, continentes y océanos. Ec. de difusión y conductividad termal. Estimación de la edad de la Tierra, Lord Kelvin. Generación de calor por radioactividad. Flujo de calor en Chile, Campos geotermales. Volcanes, hot-spots. Flujo de calor en Cordilleras y dorsales oceánicas.
3. Estructura Interna de la Tierra. Modelos Térmicos de la Tierra Manifestaciones energéticas del globo; Las fuentes de energía; Temperaturas de fusión de los materiales de la Tierra; Las hipótesis sobre la convección terrestre. Modelos Sismológicos de la Tierra; Ecuación de Estado y Ley de Birch; Los Modelos PREM y IASPEI91. Modelos Mineralógicos de la Tierra (Composición química de la Tierra; Las estructuras de los minerales y trasiciones de fase; Los minerales de alta y baja presión del Manto terrestre).
4. Geodinámica. Dinámica del Manto (Tectónica de Placas; Tomografía Sísmica, Convección en el Manto y Puntos Calientes; El Geoide; Campo Magnético Terrestre;); La viscosidad en el interior de la tierra. Concepto de reología. Márgenes convergentes, divergentes y de cizalle. Fuerzas actuantes en las placas litosféricas. Subductología comparada.
5. Sismotectónica. Zonas sismogenéticas; Fuente Sísmica; Aspectos Físicos y Fenomenológicos de la fuente sísmica; Deformaciones de la corteza y estado de esfuerzos en la corteza y litósfera; Distribución de la sismicidad mundial, regional y local (Ley de Gutenberg y Richter; Zonas de Wadati-Benioff; Sismicidad de profundidad Intermedia y Profunda). Nociones de Peligro Sísmico.
6. Geopotenciales (Gravedad y Magnetismo). Campo gravitatorio. Forma y gravedad de la Tierra. Concepto de Geoide. Momentos de Inercia y distribución de densidad. Concepto de Elipsoide. GPS y su impacto en la geodesia. Mareas terrestres. Deducción de la fórmula de Clairaut. Conceptos de anomalías de Aire Libre y de Bouguer. Hipótesis de isostasia de Airy y Pratt. Isostasia y sus desviaciones en cadenas montañosas, dorsales oceánicas y márgenes continentales. Definiciones básicas Campo Geomagnético. Momento dipolar. Fuentes internas y externas del campo magnético principal. Variaciones rápidas del campo geomagnético. Variaciones seculares, deriva hacia el oeste y variación del campo dipolar. Susceptibilidad magnética. Magnetismo termorremanente. Temperatura de Curie. Paleomagnetismo. Anomalías geomagnéticas. Deriva de continentes.
7. Nociones de Modelamiento Geofísico. Metodologías de exploración geofísica. Adquisición de datos. Análisis e interpretación de anomalías de datos geofísicos.
Referencias:
1. Fundamentos de geofisica/ Fundamental of Geophysics (Spanish Edition); Agustin Udias Vallina and Julio Mezcua Rodriguez (*)
2. Fundamentals of Geophysics; William Lowrie (*)
3. Whole Earth Geophysics: An Introductory Textbook for Geologists and Geophysicists; Robert J. Lillie (*)
4. Geodynamics; Donald L. Turcotte and Gerald Schubert, second Edition, Cambridge University Press, 2002
5. Physics of the Earth; Frank D. Stacey and Paul M. Davis, Fourth Edition, Cambridge University Press, 2008
6. Modern Global Seismology, Volume 58 (International Geophysics); Thorne Lay and Terry C. Wallace
7. Principles of Seismology; Agustin Udías
8. Applied Geophysics; W. M. Telford, L. P. Geldart and R. E. Sheriff (*)
9. Introduction to Applied Geophysics: Exploring the Shallow Subsurface; H. Robert Burger, Anne F. Sheehan and Craig H. Jones
10. Applied Mathematics for Earth Scientists (Mathematical Approaches to Geophysics); Tsuneji Rikitake
Introducción - Estructura de la Tierra -
• Los comienzos del siglo XX fueron tiempos de intensos programas de exploración global de la Tierra. • Los científicos condujeron investigaciones sobre la historia y formación de la Tierra, y sobre los principios que gobiernan el funcionamiento y procesos que ocurren en el planeta.
Los cambios de temperatura determina las diferentes capas en
la atmósfera de la Tierra.
GAS Volumen
Nitrógeno (N2) : 78%
Oxígeno (O2) : 20.9%
Argón (Ar) : 0.9%
Dióxido de C (CO2) : 0.38%
Neón (Ne) : 0.0018%
Helio (He) : 0.0005%
…
Hidrógeno (H2) : 0.000055%
…
Ozono (O3) : 7x10-6%
-----------------
Excluido por ser aire en seco
Vapor de H2O : 1% - 4%
Terremotos: generan ondas sísmicas La ciencia usa las ondas sísmicas para inferir la estructura interna de la Tierra
No podemos estudiar el interior de la Tierra directamente
- El pozo más profundo es de 12 km-
€
IC =12MR2
€
IE =25MR2
€
ITierra = 0.333MR2
Observaciones en 1900 de la Mecánica Celeste:
€
ρ Tierra = 5.5 gr/cm3
R M
En 1909 el físico Croata Andrija Mohorovicic descubre un cambio importante en la velocidad de propagación de las ondas sísmcas aprox. a 32 km de profundidad en las zonas continentales y 8 km en las zonas oceánicas. à Esta discontinuidad es conocida hoy como de Mohorovicic (o MOHO) y representa el límite entre la corteza y el manto terrestre. ¿Cuál es el criterio físico diferenciador de la estructura interna de la Tierra Sólida? à La sismología ha sido una herramienta fundamental en la determinación de la estructura interna de la Tierra. Ejemplo: MOHO Zonas Continentales ( ~33 km):
• 6.7<Vp<7.2 km/s (asociada al Basalto); • 7.6<Vp<8.6 km/s (asociada a la peridotita);
à Cambio de composición dentro de la litósfera.
Zonas Fondo Oceánico (5 a 10 km): à Cambio de composición dentro de la litósfera. Zonas Meso-Dorsales Oceánicas (Ridges) (~0 km): à Define el límite entre litósfera y Astenósfera (límite mecánico).
¿Cuáles son los tópicos de actualidad en Ciencias de la Tierra? Na:onal Research Council
Of the Na:onal Academies (USA), 2009
Commifee on grand research ques:ons in the solid earth sciences
o ¿Cómo se formó la Tierra y los otros planetas?
o ¿Qué sucedió en la Tierra durante la “edad oscura” de los primeros 500 millones de años?
o ¿Cómo comenzó la vida?
o ¿Cómo trabaja el interior de la Tierra, y cómo esto afecta su superficie?
o ¿Porqué la Tierra :ene tectónica de placas y con:nentes?
o ¿Cómo los procesos de la Tierra son controlados por las propiedades de sus componentes?
o ¿Qué causa el cambio climá:co y cómo/cuánto puede éste cambiar?
o ¿Cómo la vida ha modificado la forma de la Tierra y cómo los procesos en la Tierra han modificado la vida? à Hipótesis de Lovelock -‐ GAIA –
o ¿Es compa)ble la hipótesis de Lovelock con “Sistemas auto-‐organizados en la cri)cabilidad”?
o ¿Pueden los terremotos, erupciones volcánicas, y sus consecuencias ser predecibles?
¿Como se organiza la Naturaleza? Los procesos y formas involucrados en la dinámica de la Tierra son una manifestación organizada de balances de masa/energía y disipación de
la energía en el planeta.
“De ello emerge una estructura”
à “SISTEMA TIERRA”
¿Qué es un “sistema”?
Un sistema es un conjunto de partes o elementos (muchos) organizados (relacionados y que interactúan entre sí) creando una estructura para lograr un obje:vo.
¿Qué puede ocurrir cuando el sistema está cons:tuido de muchísimos elementos?
à Los sistemas reciben entrada (del ambiente) y proveen salida (al ambiente)
Sistema ENTRADA SALIDA
Datos
Energía
Materia
Información
Energía
Materia
Ambiente
Del ambiente:
Volcán Puyehue (Cordón Caulle, Sur de Chile)
¿Cómo se manifiesta el Sistema Tierra?
Flujos de energía -‐ Flujos de masa – Procesos disipa)vos
La Tierra es un planeta “ac:vo”
¿Cómo se manifiesta el Sistema Tierra?
Flujos de energía -‐ Flujos de masa – Procesos disipa)vos
La Tierra es un planeta “ac:vo”
Evidencias :
– ac:vidad sísmica (Terremotos) – erupciones volcánicas – existencia de un campo geomagné:co variable e intenso – flujos y reflujos de mareas terrestres – erosión y transporte de parQculas por los ríos hacia el océano (ciclos erosión) – movimientos en la atmósfera – alzamiento de montañas – movimientos horizontales de las capas superficiales de la Tierra (Placas Tectónicas) – movimiento del polo magné:co terrestre (~25 km/año) – lento alejamiento de la Luna respecto a la Tierra – perturbaciones y movimiento de “cabeceo” del eje de rotación de la Tierra – existencia de edades glaciales y cálidas en el pasado de la Tierra – cambios en el nivel del mar – Alberga vida en todas sus formas posibles en esta química/-sica terrestre – etc
¿Cómo se manifiesta el Sistema Tierra?
Flujos de energía -‐ Flujos de masa – Procesos disipa)vos
La Tierra es un planeta “ac:vo”
Como en todo sistema, comprender la dinámica de su ac:vidad es en el fondo evaluar las fuentes de energía, sus transferencias y modalidades de disipación del sistema.
à La geo?sica es una disciplina cuanGtaGva
Sistema Tierra = Sistema AcGvo y Auto Organizado en la criGcabilidad
à Nueva mirada: La Tierra como un “Sistema Complejo” Caracterís)ca: Es un Sistema Estable y evolu)vo, alejado del equilibrio termodinámico
(con Energía de Gibbs Nega)va)
Evaluar sus fuentes de energía à Cuan)ficar los procesos
Cuan:ficar los flujos de materia ligados a flujos de energía nos aporta una respuesta a la pregunta ¿cómo este sistema complejo funciona?
Para eso es necesario:
• Determinar lo que transita (¿Qué?)
• A través de cual geometría (¿Dónde?)
• Durante cuanto :empo (¿Cuándo?)
¿Qué?
¿Cuál es su naturaleza, la composición del material geológico?
¿De qué están hechos los minerales, las rocas, los magmas, los océanos, etc?
La geología es una química de ~103 elementos y sus isótopos.
¿Dónde?
¿De qué manera están distribuidos estos diferentes componentes en el espacio?
La geología es una ciencia tridimensional y debe llegar a cubrir todas las escalas del problema (10-‐9 m a 107 m).
¿Cuándo?
¿En qué orden se suceden estos fenómenos? ¿Cuánto :empo han durado? Escalas de algunos segundos a miles de millones de años.
Pero ¿qué podemos decir de la Tierra?
Rasgos “gruesos” :
• es un mundo rocoso y rico en elementos pesados
• orbitando una estrella de :po G a una distancia donde la insolación media solar (flujo) es aprox. 1300 Wafs por metro cuadrado (1.3x106 erg cm-‐2)
• con una superficie caracterizada por una atmósfera de Nitrógeno-‐Oxígeno con más del 70% cubierta de agua
• una temperatura superficial que cubre el rango de 184 °K (-‐89.15 ºC), registrada en la estación rusa Vostok en Antár:ca (Polo Sur), a un valor máximo de 331 °K (57.85 ºC), registrada en El Azizia, Libia (13 Sept. 1922).
• una temperatura global media de 287 ºK (13.85 ºC).
• con evidencias de vida (entendida a par:r de la bioquímica terrestre) dentro de una capa delgada definida desde la estratósfera, a unos ~50 km snm, hasta ~5 km bajo el fondo oceánico y superficie con:nental rocosa. Esto representa ~3% del volumen total de la Tierra.
• es un planeta ac:vo (con una dinámica interna)
¿Cómo construir un “modelo explicaGvo” de los “observables” de diferente naturaleza Usica que capturamos en la Tierra? ¿Qué debemos considerar como “línea base” o “orden cero”?
• Iden:ficar las principales propiedades de nuestro planeta • La energía recibida del Sol es la fuente de energía que controla los procesos que ocurren en la superficie de la Tierra: Circulación de los Océanos; Procesos Erosivos en la corteza terrestre; Atmósfera; Biósfera;
• Las fuentes de Calor interno de la Tierra controlan los procesos -sicos que dan origen al Campo Magné:co, Movimiento de las Placas, y variación del Campo Gravitacional.
CONSTRUCCIÓN DE UN MODELO GEOFISICO DE LA TIERRA
• ¿Cuáles son los Balances de Energía y de Masa involucrados? ¿Qué es lo que “fluye? ¿Qué es lo que transita? ¿A qué escala de :empo?
• ¿Dónde y a qué escala se producen los procesos de balance masa/energía/procesos disipa:vos?
à La Geo-sica construye “modelos Nsicos” explica:vos, o sea, propone una explicación desde una perspec:va CuanGtaGva: ¿Cuáles son los flujos de masa y energía que man:enen la dinámica del Sistema Tierra?
Relaciones entre modelos geo-sicos composicionales, termales y sismológicos.
Estos modelos deben dar cuenta, de una manera integral, los principales procesos de la dinámica interna de la Tierra.
Capturan las propiedades fundamentales de los procesos involucrados.
MODELOS GEOFISICOS
Los úl:mos años han surgido nuevas nociones para contemplar el mundo y en par:cular los procesos del Sistema Tierra.
Una nueva manera de mirar la naturaleza es desde los procesos denominados “procesos auto-‐organizados crí:camente” o fenómenos auto-‐organizados en la cri:cabilidad.
Desde sus origenes en 1987, esta teoría ha ido adquiriendo fuerza en la comunidad cienQfica. à En general se la conoce como “Sistemas Complejos”
El estudio de los sistemas complejos en las geociencias está acompañado de un amplio rango de tópicos que incluyen:
(a) interacciones de “varias esferas” o sub-‐sistemas: atmósfera, biósfera, hidrósfera, litósfera, criósfera, manto, núcleo, corteza;
(b) ciclos (Ejemplos: del Carbón; hidrológico);
(c) Circuitos de retroalimentación (feedback loops) con comportamientos caó:cos y fractales dentro de los sistemas :erra (Ej. Redes de drenaje de ríos, líneas costeras, clima, terremotos, etc).
La dinámica de comportamiento no-‐lineal es un elemento inherente en estos procesos complejos y plantean desa-os interesantes y novedosos para su comprensión y también para la enseñanza de las ciencias de la Tierra.
Pero, en la comprensión de los procesos de la naturaleza…
¿Cómo puede el Universo comenzar con una pocas parQculas elementales -‐con el Big-‐Bang-‐ y finalizar generando estrellas, galaxias, planetas, vida, historia, economía y literatura?
¿Porqué el Big-‐Bang no sólo formó un gas “simple” de parQculas o bien condensó sólo en un enorme y bello cristal?
Vemos complejidad en torno a nuestras vidas y pocos esfuerzos hacemos en realidad para escudriñar y tratar de ofrecernos una explicación.
Pareciera que el “comportamiento complejo” en la naturaleza refleja la tendencia de los sistemas grandes -‐cons:tuidos de muchos componentes-‐ a evolucionar hacia un “estado crí:co fuera del equilibrio”, en el cual pequeñas perturbaciones pueden generar eventos, sucesos llamados “avalanchas”, de todos los tamaños (importancia).
Muchos cambios en la naturaleza (en nuestra vida misma) toman lugar a través de catástrofes (situaciones fuertes) en lvez de siguir trayectorias (pistas u opciones) graduales y suaves.
La evolución hacia este estado “muy delicado” (cri:cabilidad y emergencia de un comportamiento complejo) ocurre sin intervención aparente de un agente externo.
Este “estado de cri:cabilidad” se establece solamente porque existen interacciones dinámicas entre los muchos elementos individuales del sistema: en ese caso el estado crí:co se dice “auto-‐organizado”
El Sistema Tierra y la “vida”
• La Tierra :ene una dinámica interna (manto-‐núcleo) y externa (en su superficie y atmósfera) con procesos que en ocasiones son de carácter intenso.
à Estas grandes estructuras además interactúan entre sí (sub-‐sistemas)
• La Tierra es en realidad un “sistema planeta-‐satélite”, un planeta acoplado a su satélite.
à esto introduce disipación de energía por fricción interna del planeta y en el satélite
à altera en momento angular del sistema Tierra-‐Luna.
• Presenta condiciones par:cularmente apropiadas para la emergencia de estructuras complejas de materia/energía y sus modalidades disipa:vas.
Presenta “Condiciones de Habitabilidad”
Definamos los conceptos: HABITABILIDAD puede ser formulada como un balance entre la demanda biológica por energía y el correspondiente potencial existente para saGsfacer esta demanda mediante la transferencia de energía desde el medio ambiente hacia los procesos biológicos. Un sistema es habitable cuando la tasa de energía transferida iguala o excede la demanda biológica de energía. Debido a la universal necesidad biológica de energía, la existencia de una estructura de balance de energía ayuda a constreñir el “carácter” de habitabilidad de un sistema.
Conceptos Claves
(*) En sistemas cons)tuído de muchos individuos y donde la interacción con el medio es a través de un cosntante balance de masa7energía/fenómenos disipa)vos.
Bajo ciertas circunstancias(*) los sistemas son capaces de tener estructuras estables y evoluGvas
Estos sistemas pueden presentar entonces propiedades
Corresponde a la emergencia de procesos auto-‐organizados en la críGcalidad
Habitabilidad Terrestre : • Agua líquida, gaseosa, sólida • Elementos biogénicos (C, H, N, O, P y S) • Energía disponible (ú:l) Axiomá:camente: no puede haber vida en el equilibrio termodinámico. (La auto-‐organización emerge como un proceso crí:co alejado del equilibrio) La disponibilidad de Energía Libre permite las transformaciones químicas
€
ΔG < 0 (ΔS > 0) T,P = cte
¿Existen procesos no-‐biológicos que puedan mantenerse bajo desequilibrios químicos?
Respuesta: Si, los procesos geológicos terrestres.
Misterios que persisten… ¿Porqué la naturaleza presenta tal complejidad? ¿Porqué no es simple como lo sugieren las leyes fundamentales de la -sica? La auto-‐organización en la cri:cabilidad explica algunos comportamientos o patrones que existen y que observamos en la naturaleza. à Los “vemos como complejos”. Cubren desde el estudio de pulsares y hoyos negros, hasta terremotos y la evolución de la vida. Una consecuencia de esta teoría es que las catástrofes (regulares) pueden ocurrir sin razón aparente. >> Ex:nciones en masa pueden ocurrir sin un mecanismo externo que las ac:ve.
Tiempo Geológico
Caliente (?)
Aumento en la atmósfera del O2 (Edad del Hielo)
Explosión del Cámbrico Varias Edades del Hielo (Snowball Earth)
Edad Caliente
Edad del Hielo
Origen de la vida
Contexto
• La Tierra se formó hace 4.6 billones de años, junto con el Sol y los otros 7 planetas que orbitan el Sol. • Las rocas ígneas más an:guas de la Tierra están en Groenlandia y :enen 3800 millones de años. • Los estromatolitos más an:guos son de Warrawoona, Australia y :enen unos 3500 millones de años (Precámbricos -‐ Arqueanos).
• La Tierra es el planeta rocoso más grande.
• La Tierra un objeto único del Sistema Solar: :ene una atmósfera rica en Oxígeno y una superficie sólida que puede sostener grandes masas de agua. Cerca del 71% de la Tierra está cubierta de agua, con una profundidad promedio de 3.8 kilómetros.
• Nuestro planeta llegó a su actual configuración -sica-‐química-‐geológica por medio de un proceso evolucionario que comenzó con su formación inicial durante la acreción de planetesimales.
• Entendemos bien y con mucho detalle sólo su úl:mo billón de años y el período que la ciencia puede reconstruir detalladamente es sólo los úl:mos 750 millones de años.
• Los organismos unicelulares aparecieron en el medio acuoso hace unos 4 billones de años. • Algunos de ellos desarrollaron fotosíntesis. • Estas especies microscópicas dominaron la biósfera primi:va por cerca 2 billones de años. • Entonces, hace 1 billón de años, emergieron los organismos mul:celulares. • Primero cianobacterias y estromotolitos en sus formas de algas marinas. • En ese momento el contenido de oxígeno en la Tierra alcanzó al 1% y con:nuó aumentando. • Las algas se mantuvieron como los organismos más avanzados del planeta hasta la llegada
de un período notable conocido como la Explosión del Cámbrico, hace aprox. 540 millones de años.
• Aún más reciente que el Cámbrico es la edad de los dinosaurios. • Los dinosaurios comenzaron su dominio evolu:vo hace unos 250 millones de años, en la Era
del Mesozoico. • Sufrieron una ex:nción en masa hace unos 65 millones de años. • Los ancestros de nuestra propia especie emergió hace sólo unos pocos millones de años.
Variación de la tasa de extinción en el tiempo
Explicación Impacto de un meteorito à vuelta al paradigma catastrofista (Escuela de Cuvier)
En 1788 James Hufon publicaba su Teoría sobre la Tierra estableciendo el principio del uniformismo o actualismo. James Ussher, arzobispo anglicano de Armagh, en 1650 construyó una cronología de la historia de la Tierra y la humanidad. Estableció que la creación de todo fue en el año 4004 a. C., se creía que la edad de la Tierra y del propio universo era de 5654 años.
La doctrina catastrofista apareció como un paradigma necesario para que la formación del universo encajase en ese lapso de )empo.
à Teoría de las creaciones sucesivas.
Detección de elementos exóticos (poco abundante en la Tierra).
Evidencias de presencia de Iridio
Hipótesis alternativa: • Curtillot, V. (IPGP-Francia) ; Gerta Keller (Universidad de Princeto) y otros, presentaron evidencias (AGU, San Francisco, USA, 2009) que en realidad el meteorito responsable del cráter Chicxulub impactó 300.000 años antes de producirse la gran extinción. • à El impacto del meteorito precede a la extinción masiva y, aparentemente, no causó ninguna extinción”. El análisis de los sedimentos marinos perforados en el cráter de Chicxulub indican que el impacto con La Tierra fue 300 000 años antes de la extinción masiva.
• Erupciones enormes ocurridas en la zona de Deccan (India) son evidencias que junto a una secuencia de impactos meteoríticos, conformaron el dúo aniquilador que actuó al final del período Cretáceo, hace 65 millones de años, para explicar la extinción de los dinosaurios.
• à Se re-instala el debate científico entre las 2 escuelas, la de Francia (Cuvier) y la Inglesa (Lyell) sobre la ocurrencia de fenómenos catastróficos v/s uniformismo.
• Tesis uniformista (James Hutton, padre de la geología moderna): la Tierra se habría formado lentamente a lo largo de extensos períodos de tiempo y a partir de las mismas fuerzas físicas que hoy rigen los fenómenos geológicos (uniformismo): erosión, terremotos, volcanes, inundaciones, etc
• La clave en la evolución de sistemas complejos no-‐lineales es comprender que están compuestos de muchos individuos y que a pesar que en ellos cada una de las partes interactúa con las partes vecinas, emergen estructuras globales del sistema, o sea, un comportamiento a un nivel superior del todo. • Si se inyecta permanentemente energía al sistema, el sistema responde incorporando modalidades de disipación interna de esta energía (por ejemplo por fricción). • Tales sistemas, luego de un transiente, llegan a un estado de auto-‐organización. • Tales estados pueden ser de equilibrio estable, de periodicidad entre varias opciones (bifurcaciones), o simplemente caó:cos. Los fractales corresponden a una de estas configuraciones. • En todo caso, el caos no es total, sino que existe algo de orden (una estructura que “emerge” en el “todo”).
¿Cómo se comportan los Sistemas Complejos?
¿Cómo evolucionan?
Ejemplos
Ejemplo de Auto-‐Organización en la cri:cabilidad:
Todos hemos jugado haciendo una pila de arena en la playa…
SISTEMAS AUTO-ORGANIZADOS
(PER BAK)
¿Cómo se organiza la Naturaleza?
¿Cómo se organiza la Naturaleza?
¿Cómo las cebras, :gres, leopardos, jirafas,… logran pigmentar su piel con manchas a par:r de las cuales emergen estructuras que representan trazados curiosos?
Un interesante ejemplo de auto-‐organización en la naturaleza es el problema de comprender cómo aparecen los pigmentos, manchas y trazas en la piel de algunos animales. Tales patrones sirven muchas veces de camuflaje y en consecuencia )enen un valor bien definido en la capacidad de adaptación y en la capacidad de “sobrevida” de la especie.
¿Pero cómo esta información es transmi)da a las generaciones futuras?
El caso del Leopardo: puesto que sus manchas no se distribuyen en patrones idén)cos de un individuo al que sigue, hay elementos aleatorios involucrados en el proceso, y más aún, el patrón de manchas del Leopardo es claramente dis)nguible del de los Tigres. Esto significa que hay algún )po de mecanismo específico que difiere entre cada especies.
Todos tenemos un objeto fractal como este… no??
Jackson Pollock (1912 - 1956)
¿Desde donde contemplamos en mundo?
¿Cuáles son la escalas espacio-‐:empo involucradas?
¿Qué estamos implícitamente admi:endo desde el relato de la ciencia?
¿La Universalidad de las interacciones -sicas?
¿Cuáles son las leyes fundamentales de la -sica que observamos/deducimos de los sucesos que detectamos en el Universo?
¿Podemos además asumir que los parámetros de las leyes de la -sica son constantes para todo
:empo y en todo lugar del Universo? ¿Són únicos?
à La respuesta son las Hipótesis que cons)tuyen el “Principio Cosmológico”
Agreguemos ahora otras preguntas…
¿Invariantes de escala?
ESCALAS EN EL UNIVERSO
~ 6x1017 s
~ 3x107 s
Era de la teoría de la gran unificación. Equilibrio entre materia y antimateria se decanta a favor de la materia (10-43 s)
Era electrodébil, dominada por quarks y antiquarks (10-35 s)
Los quarks quedan confinados al formarse protones, neutrones, mesones y otros bariones (10-30 s)
Está a 2,5 millones de años luz (775 kpc) en la constelación de Andrómeda.
Es parte del Grupo Local (aprox. 30 pequeñas galaxias más tres grandes galaxias espirales: Andrómeda, la Vía Láctea y la Galaxia del Triángulo).
Andrómeda se acerca a nosotros a 300 km/s, y en aprox. 3.000 a 5.000 millones de años podría colisionar con la nuestra.
Foto UV de la Galaxia Andrómeda (NGC 224) (telescopio espacial Galaxy Evolu)on Explorer –GALEX-‐ lanzado el abril del 2003)
Las distancias… ¿?
Modelo de la Vía Láctea a par)r de los astronómicos actuales.
• Nuestra Galaxia )ene 2 a 4 x1011 estrellas (2.24 x1011 según úl)mas es)maciones) • 1 M¤ es ppico valor para las estrellas: No somos especiales!! • Masa total de la Vía Láctea = 2x1012 M¤ (principalmente materia oscura).
• Se piensa que los brazos se forman naturalmente por inestabilidades gravitacionales inducidas durante la rotación del disco.
• Los dos brazos espirales que dominan en la galaxia se denominan Scutum-‐Centaurus y Perseus.
La Vía Láctea -‐ Nuestro Contexto Estructura de la Vía Láctea: • Halo de la Vía Láctea (aproxiadamente de forma esférica de diámetro ~30 kpc) • En el Halo hay principalmente estrellas “viejas” en cúmulos globulares, unas 100 mil millones. • Disco galác)co (compuesto preferentemente de estrellas “jóvenes”), • 2 principales brazos espirales (más brazos secundarios) • Disco 30 kpc diámetro, ~4 pc espesor (9, 6 y 3 pc en el centro y en dir. Norte y Sur respec)vamente). • El Sol está a ~8.5 kpc del centro de la Galaxia. • Se cree que el centro )ene un hoyo negro de ~2.6x106 M¤.
_____________________________1 pc = 3.08x1018 cm = 3.25 años-‐luz 1 año-‐luz = 9.46x17 cm; 1 kilopársec (kpc) = 1000 pc =3,26x103 años-‐luz = 3.260 años-‐luz. El centro de nuestra galaxia esta a unos 8 kpc de la Tierra. La galaxia espiral mas próxima a la nuestra, M-‐31 en Andrómeda, esta a unos 900 kpc de distancia).
Estructura de la Vía Láctea
El SOL
• Disco de la Vía Láctea : 30 kpc diámetro, 9 pc de espesor en el centro, 6 pc espesor en dirección Norte y 3 pc espesor en dirección Sur. • Centro de la Vía Láctea a 8.5 kpc de nuestro S. Solar • Se cree que el centro :ene un hoyo negro de ~2.6x106 M¤.
• Entre el 70% al 80% de las estrellas están concentradas en el disco galác:co de diámetro 90.000 años-‐luz, con un espesor de sólo unos 2.500 años-‐luz.
• La órbita del Sol se encontraría en un brazo secundario, brazo de Orion-‐Cygnus
Orbita del Sol
Además de la rotación de la Tierra sobre su eje, la Tierra gira en torno al Sol a 30 km/s (> de 100 000 km/hr). El Sistema Solar gira en torno al centro de la Galaxia a 230 km/s.
Nuestra Galaxia y Andrómeda están en caída hacia el centro del Grupo Local c/u a 65 km/s.
La velocidad del Grupo Local respecto al resto a un gran número de galaxias distribuidas en la esfera celeste, en dirección del Super-‐Cluster de Centaurus y de Shapley, es de 627 km/s, o sea, más de 2 millones de km/hr.
Vecindad de 3 millones de años-‐luz: El Grupo Local, dominado por 2 galaxias espirales gigantes, Andrómeda (M31), Vía Láctea y la galaxia Trianglar (M33) que es 10 veces menos masiva que M31.
Hoy se es:ma unas 50 galaxias enanas repar:das en torno a las 2 galaxias principales. Este núemero crece regularmente con el descubrimiento de nuevas galaxias cada vez más pequeñas.
Andrómeda y nuestra galaxia se aproximan a una velocidad ~130 km/s (468.000 km/hr)
Evolución Planetaria
Nube molecular gigante
Nebulosa Solar
Planetesimales No diferenciados
Planeta Diferenciado
¿Cómo pasamos de esto…?
¿ …a esto ?
