1.1 El Universo, el Sistema Solar

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1 1.1 El Universo, el Sistema Solar y la Tierra El Universo Un poco de historia... Para los antiguos egipcios el cielo era una copia etérea del Nilo, por el cual el dios Ra navegaba cada día, retornando a su punto de partida a través de los abismos subterráneos donde dormían los muertos. Según los babilonios, la Tierra era una gran montaña hueca semisumergida en los océanos. Sobre la Tierra estaba el firmamento, la bóveda del cielo. Los griegos hablaban de un vacío intemporal que precedió al cosmos ordenado: lo llamaban Caos. Surgieron así dos teorías confrontadas sobre el Universo: La teoría geocéntrica, que se mantuvo vigente durante muchos siglos. Según la cual, la Tierra era el centro del Universo. Esta teoría fue propuesta desde los antiguos pensadores griegos (Ptolomeo). La teoría heliocéntrica, que consideraba que el centro del Universo es el Sol. Esta teoría cobró fuerza a medida que las mediciones y observaciones sobre los movimientos de los planetas hicieron insostenible la teoría geocéntrica. Uno de los mayores defensores de esta teoría fue Copérnico y este es el modelo del actual del Sistema Solar. Teoría geocéntrica Teoría heliocéntrica Un hecho trascendental en este campo fue la invención del telescopio por el matemático italiano Galileo Galilei, que permitió confirmar la teoría de Copérnico y, con posterioridad, avanzar en el conocimiento del Sistema Solar y afirmar que el Universo es infinito o, por lo menos, se desconocen sus límites. Hoy día existen grandes observatorios, tanto en la Tierra como en el espacio, con aparatos muy complejos que recogen todo tipo de radiaciones y de datos del espacio profundo y de cuerpos celestes muy alejados. Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 1

2 Visión actual No se sabe con certeza cómo fue el comienzo del universo. Actualmente, la explicación científica más admitida sobre su origen es la teoría del "Big Bang" (gran explosión), según la cual, hubo una gran explosión inicial que dio origen al universo hace diez o doce mil millones de años. Las partículas en expansión formaron los gases y el polvo cósmico que dieron lugar a los diferentes cuerpos del firmamento. Inicialmente todos los cuerpos celestes estaban juntos en un universo de pequeñísimas dimensiones, constituido por materia y energía. Al estallar, se produjeron pequeñísimas porciones de materia y se liberó una gran cantidad de energía. Dichas porciones de materia continuaron alejándose unas de otras, los que hizo que el universo se enfriara permitiendo la formación de los primeros átomos: el hidrógeno y el helio. La materia se condensó en cientos de puntos, formando las galaxias, constituidas por nebulosas y millones de estrellas. El universo se encuentra en continua expansión, de tal forma que las galaxias, y lo que hay en ellas, se separan cada vez más. Componentes del universo Galaxias, nebulosas y estrellas El Universo está formado por galaxias. A su vez las galaxias están formadas por miles de estrellas, con nubes de polvo y gas entre ellas, que reciben el nombre de nebulosas. La apariencia de una nebulosa vista desde la Tierra es la de una mancha blanquecina parecida a una nube. Son producidas por cuerpos siderales, gases (principalmente hidrógeno y helio) y partículas sólidas denominadas polvo. Tienen una gran importancia porque en muchas de ellas nacen las estrellas por fenómenos de agregación de la materia; en otras ocasiones, se trata de los restos de estrellas. El número de galaxias en el universo supera los miles de millones. Su tamaño puede variar entre cientos de años luz y millones de años luz. Según su forma se distinguen diversos tipos de galaxias: espirales, elípticas o irregulares. Nuestra galaxia es espiral y se llama Vía Láctea. Nuestro Sistema Solar se encuentra en uno de sus extremos. Se calcula que contiene entre 200 y 400 miles de millones de estrellas. Podemos distinguir tres tipos de nebulosas: Arriba: Galaxia espiral; Abajo: nebulosa de Orión, donde nacen miles de estrellas A) Nebulosas de emisión. En éstas, el gas que compone la nebulosa brilla como consecuencia de la intensa radiación de las estrellas próximas. B) Nebulosas oscuras. Estas nebulosas no emiten luz por estar lejos de las estrellas, pero sí que absorben la luz de cuerpos lejanos. C) Nebulosas de reflexión. Son las que reflejan la luz de las estrellas cercanas. Las estrellas son grandes masas de gas a alta temperatura que emiten una gran cantidad de calor y de luz. El hidrógeno es el combustible de las estrellas. La generación de energía en las Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 2

3 estrellas se debe a reacciones de fusión, es decir, la que se genera cuando un núcleo pesado como el de uranio se divide en dos o más fragmentos desprendiendo energía. El tamaño de las estrellas puede variar entre algunos miles y cientos de millones de kilómetros. Así, por ejemplo, la estrella Antares es una supergigante de km de diámetro. En la figura de la derecha se compara la estrella Sirius con nuestro Sol, varias veces menor. Según la temperatura de su superficie, las estrellas pueden ser rojas, amarillas o blancas. El Sol es una estrella amarilla y alcanza una temperatura aproximada de 5800 grados en su superficie. Desde la antigüedad, los hombres han dado nombre a las distintas estrellas, especialmente a aquellas que brillaban más o que utilizaban para la orientación. Así por ejemplo, llamaron Estrella Polar a la que aparece fijamente en el norte todas las noches del año. También han dado nombre a agrupaciones de estrellas por su semejanza con ciertas figuras, aunque sin ningún criterio científico. A estas asociaciones se les denomina constelaciones. Las constelaciones son de mucha utilidad para situarnos en las distintas zonas de la bóveda celeste. Ejemplos de constelaciones son: la Osa Mayor, La Osa Menor, y las del zodiaco. La Via Láctea Como ya hemos dicho, la Vía Láctea es la galaxia donde se encuentra nuestro sistema solar y, por lo tanto, la Tierra. Es una galaxia espiral formada por millones de estrellas y nebulosas, las cuales se mueven ordenadamente en trono a su centro. Planetas, cometas, asteroides y satélites Alrededor de una estrella giran diversos cuerpos de mayor o menor tamaño. En el sistema solar, el Sol es el centro alrededor del cual orbitan las distintas masas. Los planetas sos astros que describen órbitas alrededor de una estrella. No poseen luz propia, sino que reflejan la que les llega de esa estrella. Los cometas también giran alrededor de una estrella, pero con una órbita más alargada y solo pasan cada cierto tiempo por las cercanías de ella. Están formados por un núcleo sólido y una El cometa Halley, visible desde nuestro planeta cada 76 años larga cabellera o cola de gas y polvo. Los asteroides son fragmentos rocosos de materia parecida a la que formó originariamente los planetas que giran en gran número alrededor de una estrella en lo que se conoce como cinturón de asteroides. Los satélites son cuerpos que describen órbitas alrededor de un planeta. Pueden ser naturales, como la Luna, o artificiales que describen órbitas alrededor de la Tierra y prestan múltiples servicios: información metereológica (Meteosat) o de comunicaciones. Un sistema planetario es un conjunto de astros formados por una estrella, los planetas que se mueven a su alrededor y sus satélites, asteroides y cometas. La búsqueda de sistemas planetarios extrasolares comenzó en 1988 pero el primer planeta Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 3

4 extrasolar o exoplaneta no fue detectado hasta Hoy en día los científicos tienen a su alcance técnicas e instrumentos capaces de observar exoplanetas, es decir, sistemas planetarios en torno a otras estrellas. Un primer indicio de la existencia de estos planetas se produjo en 1983, cuando se detectó un disco en torno a la estrella Beta Pictoris. Gracias al telescopio espacial Hubble los científicos realizaron observaciones detalladas de regiones donde se crean estrellas, como la existente en la constelación de Orión. Así se detectaron discos protoplanetarios en torno a estrellas jóvenes, y se vio que una gran parte de las estrellas que se formaban tenían estructuras que podrían dar lugar a planetas en el futuro. Los planetas extrasolares descubiertos hasta la fecha son en su mayoría gigantes gaseosos similares a Júpiter. La Unidad astronómica y año luz Las enormes distancias que separan las estrellas o las galaxias se miden utilizando grandes unidades: La unidad astronómica ua, es la distancia media entre la Tierra y el Sol, equivalente a km. (aproximadamente km). Se eligió como unidad de medida en el ámbito del Sistema Solar para medir órbitas y trayectorias de los cuerpos que lo componen. El año luz, es la distancia que recorre un rayo de luz durante un año en el vacío. Su equivalencia en el Sistema Internacional de Unidades es de 9, metros ( Un 9 seguido de 15 ceros!). Se usa para indicar las distancias entre las estrellas y entre galaxias. Por ejemplo, la estrella más cercana al Sol es Próxima Centauri, que pertenece al sistema estelar de Alfa Centauri, y está a 4.22 años-luz; lo que significa que está prácticamente a km. A veces, se tienen dificultades a la hora de entender qué es un año luz. Esto es debido a que el uso de la palabra año nos hace pensar en una unidad de tiempo. Si preguntamos cuál es la distancia entre Valencia y Madrid se nos puede dar una respuesta inmediata: 350 km o, también, nos pueden decir que Madrid está a 3 horas y media de Valencia (yendo a una velocidad de 100 km/h). Este ejemplo pone de manifiesto que, aunque se ha mencionado un tiempo (3.5 horas), nos estamos refiriendo realmente a una distancia, siempre que se diga cuál es la velocidad que debe llevar el coche. Análogamente, podemos decir que la distancia entre estas dos ciudades es de una milésima de segundo yendo a la velocidad de la luz. El año luz es una unidad de longitud. Corresponde a la distancia recorrida por un rayo de luz en un año. Por lo tanto, es muy grande para nuestras mediciones en la Tierra, porque la luz es muy rápida y viaja una gran distancia en un año. Esta unidad está diseñada para medir distancias en el espacio entre las estrellas de una galaxia o entre diferentes galaxias. Es útil para los astrónomos. El Sistema Solar El sistema solar está formado por el Sol (su estrella), alrededor del cual giran 8 planetas, 44 satélites, 2 cinturones de asteroides y diversos cometas y meteoritos. El Sistema Solar se encuentra en un brazo de la galaxia llamada Vía Láctea (o camino de Santiago). La Vía Láctea es un remolino aplanado que gira en espiral alrededor de su centro; no la podemos ver bien porque estamos cerca del borde de este remolino. Pensamos que tiene esa forma porque creemos que se parece a la galaxia más próxima a la nuestra; esta galaxia sí que la podemos ver y se llama galaxia de Andrómeda. Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 4

5 Los planetas del Sistema Solar y Plutón El Sol: El Sol es la estrella del Sistema Solar. Es una estrella de tipo medio que su radiación posibilita la vida en nuestro planeta. Todos los planetas del Sistema Solar giran en torno a él con un periodo diferente (el de la Tierra es de 365 días). Su diámetro es de unas cien veces mayor que la tierra. Está constituido, principalmente por hidrógeno y helio, los dos gases más ligeros de la tabla periódica. La gran cantidad de energía que produce el Sol se debe a las reacciones de fusión que se dan en su interior. En estas reacciones, cuatro núcleos de hidrógeno acaban convertidos en uno de helio. Cada segundo se convierten muchos millones de toneladas de hidrógeno en helio. Debido a estas reacciones la temperatura en su superficie alcanza los 6000 ºC. Su apariencia manchada se debe a las turbulentas erupciones de energía en su superficie. Los planetas menores: Son los más cercanos al Sol y rocosos: Mercurio, que parece una roca flotante y ardiente; Venus, el que más refleja la luz del Sol; la Tierra y Marte, el planeta rojo, cuyo diámetro es aproximadamente la mitad del de la Tierra. Los planetas mayores: Son los gigantes gaseosos: Júpiter, el más grande de todos y del que se ha descubierto un anillo similar al de Saturno, constituido por partículas que se mueven alrededor del planeta; Saturno, famoso por sus miles de vistosos anillos de pequeñas rocas y polvo; Urano, al que también se han descubierto nueve anillos; y Neptuno. Plutón se consideraba un planeta hasta Desde ese año se incluye en el grupo de planetas enanos (Eris, Makemake, Haumea, Sedna y Ceres) Plutón y los planetas enanos: Los planetas enanos son cuerpos celestes de forma esférica (o casi) cuyo radio es menor que el de Mercurio pero mayor de 400 km. Hoy en Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 5

6 día no se consideran planetas. Esta denominación fue introducida en 2006, por la Unión Astronómica Internacional en su resolución B5; según ésta, un planeta enano es aquel cuerpo celeste que: a) Está en órbita alrededor del Sol. b) Tiene masa suficiente para que su gravedad modele una forma esférica. c) No ha barrido las inmediaciones de su órbita de otros cuerpos. d) No es un satélite. En este sentido, Plutón sería un planeta enano. Otros planetas enanos serían: Ceres, Eris, Makemake, Haumea, UB Los asteroides: Los asteroides son fragmentos sólidos, rocosos, de tamaño variable que sobraron cuando se formaron los planetas rocosos interiores. Podemos encontrarlos desde cientos de kilómetros de diámetro hasta el tamaño de algunos centímetros. Se encuentran a partir de la órbita de la Tierra hasta más allá de la órbita de Júpiter, pero la mayoría están entre Marte y Júpiter. Sus órbitas a veces cortan la órbita de algún planeta y pueden ser atraídos por su gravedad cayendo hacia el planeta: es lo que llamamos un meteorito. Si son pequeños se queman en la atmósfera, pero si son grandes caen en la superficie del planeta produciendo cráteres, como el Cráter Barringer. La Tierra La Tierra es el tercer planeta cuando se cuenta a partir del Sol. Se desplaza en una trayectoria casi circular alrededor del Sol a una distancia de unos 150 millones de kilómetros (1 unidad astronómica, ua), tarda días en dar una vuelta al Sol y unas 24 horas en rotar sobre sí misma. Tiene un radio de 6370 km. Su atmósfera está compuesta por un 78% de nitrógeno, un 21% de oxígeno y un 1% de otros componentes. La atmósfera de la Tierra también nos protege de los meteoritos que nos llegan ya que se "queman" debido a la fricción antes de poder alcanzar la superficie. La Tierra es el único planeta conocido que abriga vida en el Sistema Solar. Posee un núcleo interno sólido y una capa fluida llamada núcleo externo formado por hierro, níquel y algún elemento ligero. Sobre esta capa se localiza el manto y la corteza; esta última se divide en corteza oceánica, situada bajo el océano, y la corteza continental que constituye la tierra firme. Debido a los metales fundidos del núcleo externo de nuestro planeta y al giro de la Tierra, se crea un campo magnético que, junto con la atmósfera, nos protege de la radiación solar. Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 6

7 Las estaciones, el día y la noche Igual que el resto de los planetas la Tierra realiza varios movimientos característicos: uno alrededor de su propio eje que se llama de rotación, y otro alrededor del Sol, que es el movimiento de traslación. Además, su eje oscila girando como un trompo (movimiento de precesión). La traslación es el movimiento que efectúan al moverse alrededor del Sol, la rotación consiste en un giro sobre sí mismos y la precesión es el movimiento del eje de rotación. Los movimientos de rotación y traslación tienen dos consecuencias fundamentales: El movimiento de rotación de la Tierra alrededor de su eje provoca que, cuando una de sus dos mitades está iluminada por el Sol, la otra permanece oscura. Como la Tierra da vueltas, un sitio de la superficie que esté iluminado en cierto momento, estará oscuro en otro momento, es decir, pasará del día a la noche. Así, la rotación de la Tierra da lugar a los días y las noches. En este movimiento, la Tierra invierte 24 horas. Como la Tierra se traslada alrededor del Sol, y su eje de rotación está inclinado, no se calientan de igual forma todos los lugares. Los rayos del Sol llegan más inclinados a unos sitios que a otros. Esto explica que mientras en una determinada zona (un hemisferio) es invierno, en la otra (el otro hemisferio) es verano. Así, la traslación de la Tierra y la inclinación de su eje es la causa de las estaciones del año: primavera, verano, otoño e invierno. En este movimiento, la Tierra invierte 365 días. La Luna: el satélite natural de la Tierra La Luna es el único satélite natural de la Tierra, es decir, se encuentra en órbita alrededor de nuestro planeta. Su radio es de unos 1738 km, aproximadamente una cuarta parte del de la Tierra. La masa de la Luna es 81 veces menor que la de la Tierra como consecuencia, la gravedad en su superficie es un sexto de la de la Tierra. Una de sus características es que tarda lo mismo en su rotación que en su traslación, unos 28 días. Esta es la razón de que siempre veamos la misma cara de la Luna, mientras que la otra permanece siempre oculta. Según las posiciones del Sol, la Tierra y la Luna, nuestro satélite se encuentra más o menos iluminado por la luz del Sol. Las distintas fases de la Luna se producen de acuerdo con estas posiciones: Cuando el Sol ilumina totalmente la Luna por su cara visible, estamos viendo la luna Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 7

8 llena. Si la cara visible de la Luna está iluminada parcialmente, nos encontramos en cuarto menguante. Transcurridos 14 días, la Luna ha dado media vuelta en torno a la Tierra, y el Sol ilumina la cara oculta que nosotros no vemos; en ese momento, la fase es de luna nueva. A partir de entonces comienza a iluminarse la cara visible: es el cuarto creciente. Otro de los fenómenos debidos a las posiciones del Sol, la Tierra y la Luna son los eclipses, que solo se dan cuando las órbitas de estos tres astros se cortan: Eclipses de Sol: se producen cuando la Luna se interpone entre la Tierra y el Sol, de forma que oculta una parte del disco solar o lo tapa completamente. En función de la parte del Sol que queda tapada por el disco lunar, se distinguen los eclipses totales y los parciales. No son muy frecuentes debido a los discos de la Luna y el Sol deben coincidir exactamente en el cielo. Durante un eclipse total se pueden observar fenómenos muy interesantes. El más importante de ellos es la posibilidad de observación de la corona solar. Con el disco solar tapado, es posible apreciar la envoltura exterior de gases de la estrella. Otra interesante observación es la de las «perlas de Baily», que se pueden ver en la fase de totalidad. Se deben a irregularidades de la superficie lunar (montañas, cráteres...) que dejan pasar solo algunos rayos de luz. Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 8

9 Eclipses de Luna: Suceden cuando la sombra de la Tierra se proyecta sobre la Luna, es decir, la Tierra se interpone entre el Sol y la Luna, que queda oculta total o parcialmente. Se producen, relativamente cada poco tiempo. Desde algunas zonas de la Tierra, se aprecia cómo el disco lunar es invadido por la sombra del planeta, hasta que la luna llena pierde todo su brillo y se ve en el cielo con un tono rojizo. Si la Tierra tapa totalmente a la Luna, se habla de un eclipse total. Si solo se oculta una parte de la Luna, se denomina eclipse parcial. Dado que la Tierra es bastante más grande que la Luna, es fácil que el eclipse se vea como un eclipse total desde muchas partes del mundo. Un eclipse lunar siempre sucede en la fase de Luna llena. Es en esta fase cuando la posición de la Tierra es interior y la de la Luna exterior respecto al Sol. Las mareas La Luna, al estar mucho más cerca de la Tierra que el Sol, es la responsable principal de las mareas. Cuando la Luna está justo encima de un punto dado de la superficie de la Tierra, ejerce una fuerza de atracción del agua, que hace que se eleve sobre su nivel normal. La cresta de onda situada bajo la Luna se llama marea directa, y la del lado diametralmente opuesto de la Tierra se llama marea opuesta. En ambas crestas, prevalece la condición conocida como de marea alta, mientras que a lo largo de la circunferencia formada por las zonas perpendiculares al eje de mareas directa y opuesta se producen fases de marea baja. La Tierra y sus capas La Tierra no es una superficie lisa, sino una gran bola rugosa que se aplana ligeramente por los polos. Vista desde el exterior, podemos distinguir las siguientes capas: Geosfera o componente rocoso del planeta Atmósfera o capa gaseosa de aire que en vuelve al planeta. Está en contacto con la geosfera y con la hidrosfera. Hidrosfera o cama acuosa formada por todo el agua presente en la Tierra. Su distribución es muy irregular Biosfera o conjunto de todos los seres vivos que habitan el planeta. En la geosfera se distinguen, transversalmente y desde el punto de vista de su estructura Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 9

10 material y su composición química, tres capas, la corteza, el manto y el núcleo: Corteza: se corresponde con la capa más externa; es sólida y de un espesor que varía desde los 8 o 10 kilómetros, en las partes situadas por debajo de los océanos hasta los 40 o 50 en las zonas coincidentes con algunas cadenas montañosas, distinguiéndose así: Corteza continental: es la de máximo espesor y se encuentra formando los continentes. La roca más abundante en ella es el granito. Corteza oceánica: de un espesor no superior a los 10 km, forma los fondos de los océanos. La roca más abundante en ella es el basalto. Manto: es la capa intermedia que se encuentra debajo de la corteza, extendiéndose, aproximadamente, hasta los kilómetros de profundidad. La parte más externa, el manto superior, presenta materiales poco densos y la parte más interna, el manto inferior, está formada por materiales muy densos. Núcleo: se sitúa en la zona más interna; es muy denso, pues está formado por hierro y níquel, dividido en dos subcapas, la externa es líquida y la interna es sólida. Además de valorar su composición química, se puede hacer otra división según su comportamiento físico. La corteza, junto con la parte superior del manto, forma una capa totalmente sólida y muy rígida que se conoce con el nombre de litosfera, la cual no constituye una capa continua, sino que está dividida en grandes fragmentos que reciben el nombre de placas litosféricas o placas tectónicas. Por debajo de esta capa se encuentra una porción de manto que no es rígida y presenta un comportamiento viscoso porque los materiales están fundidos debido a las elevadas temperaturas; a esta parte se la llama astenosfera, debajo de la cual se encuentra el resto del material. En la geosfera se distingue una superficie continental correspondiente a las zonas emergidas y otra correspondiente a los fondos oceánicos. En los continentes se encuentran las cordilleras, las grandes llanuras y las plataformas continentales. En los fondos oceánicos también hay codilleras que, en este caso, se llaman dorsales oceánicas, así como grandes, largas y profundas grietas denominadas fosas oceánicas y las enormes llanuras abisales. Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 10