Geosfera I: Bajo nuestros pies. Estructura y composición de la Tierra

Transcripción

1 Geosfera I: Bajo nuestros pies. Estructura y composición de la Tierra Imagen paisaje bajo licencia de Creative Commons (Wikipedia Commons):autor: ZachT El gran interés del hombre por saber cómo es, cómo se comporta y de que está formado el planeta que habita, le ha llevado a la aplicación de numerosos métodos de estudio, que le han ayudado a establecer una estructura interna de la Tierra. Dichos estudios, además, han beneficiado al hombre en la búsqueda de recursos y fuentes de energía necesarias para el desarrollo de nuestra sociedad presente y futura. En la actualidad tenemos una visión global de nuestro planeta, gracias al desarrollo de instrumentos de observación tanto directa (sondeos, estudio de los materiales arrojados por volcanes) como indirecta, que nos permiten deducir la composición y propiedades de los materiales que lo forman. En este tema veremos de manera simplificada cada uno de los métodos. Finalmente, como si de un viaje al centro de la Tierra se tratase, haremos un recorrido por el interior de nuestro planeta, exponiendo los resultados y datos aportados por los diferentes métodos de estudio del interior de la Tierra, indicando cual es la hipótesis actual sobre su estructura.

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3 1. La Geosfera como sistema Las siguientes imágenes de la animación están bajo licencia de Creative Commons (Wikipedia Commons): paisaje, autor: ZachT; Tierra, autor:jeremy Kemp

4 Sobre la geosfera actúan dos tipos de energía: 1-Energía del interior de la Tierra, conocida como energía geotérmica. Esta energía proviene de dos fuentes diferentes: Calor residual o remanente que se desprendió en los procesos de formación de la Tierra, y que conserva la Tierra desde su formación. Desintegración de los materiales que poseen elementos radiactivos (uranio, radio, talio,...). Gracias a esta energía, se producen los procesos geológicos internos (bruscos como los seísmos y volcanes, o lentos como los orogénicos responsables de la formación de las grandes cordilleras). Estos procesos crean relieve. 2- Energía procedente del Sol, gracias a al cual se producen en la superficie terrestre los procesos geológicos externos, procesos destructores del relieve. Estos son: meteorización, erosión, transporte y sedimentación. Los procesos geológicos externos e internos se suceden de forma continua dando lugar a lo que en geología se conoce como el Ciclo Geológico (conjunto de procesos geológicos que se suceden de forma cíclica, modelando el relieve de la superficie terrestre). Durante este ciclo se produce un intercambio de materia y energía de la geosfera con los demás subsistemas, la atmósfera, hidrosfera y la biosfera. La geosfera es por tanto un sistema abierto. Comprueba lo aprendido con este cuestionario de : El subsistema del planeta que ocupa mayor superficie es la Geosfera. Sobre la geosfera actúan dos tipos de energía; la desintegración de elementos radioactivos, y el calor residual de la formación del planeta. Los terremotos y volcanes son procesos destructores del relieve. El ciclo geológico consiste en una serie de procesos, que modelan el relieve de la superficie del planeta tanto elevando como erosionando el terreno de forma cíclica.

5 2. Métodos de estudio del interior terrestre Las siguientes imágenes de la animación están bajo licencia de Creative Commons (Wikipedia Commons): paisaje, autor: ZachT; Tierra. Podemos llegar a conocer los materiales que existen en el interior de nuestro planeta a través de métodos de observación directa y métodos indirectos, que permiten deducir la composición y propiedades de los materiales profundos a partir de otros datos. Los métodos indirectos que mayor información proporcionan son los geofísicos. La geofísica es la ciencia que aplica métodos y técnicas procedentes de la física a la investigación geológica.

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7 2.1. Métodos directos

8 1- Observa sobre la animación los sondeos 1 y 2 (imagen 3/5) y averigua qué corte geológico (C-I, C-II o C-III) corresponde a la zona de estudio. 2- Después de la erupción del volcán se ha obtenido la fotografía indicada abajo (basalto y caliza). El basalto es una roca volcánica, sin embargo, la caliza es sedimentaria podrías explicar cómo es posible que aparezcan ambas juntas?. Qué información de interior terrestre crees que puede aportar esta imagen? Prospección y sondeos: Las minas son excavaciones que se realizan para la extracción de minerales y rocas. Las más profundas se encuentran en Suráfrica y alcanzan casi 3 6 Km. Los sondeos son perforaciones taladradas en el subsuelo que se utilizan con muy diversos fines (extracción de petróleo, prospección minera, investigación ). El más profundo se encuentra en Siberia (Rusia) y llega hasta unos 12 Km. Estos métodos aportan datos directos muy importantes para varios campos de investigación, pero son poco significativos para el estudio del interior de la Tierra, pues si comparamos las profundidades que alcanzan con el radio medio de la Tierra (6.370 Km) se comprende que apenas suponen un rasguño sobre su superficie.

9 TAU TONA, La ciudad de oro, es un documental de National Geographic sobre la mina más profunda del mundo, en Sudáfrica, este fragmento es la introducción: Estudio de los materiales arrojados por los volcanes Los materiales que expulsan los volcanes pueden haberse formado a una cierta profundidad del subsuelo, del orden de decenas de kilómetros. El análisis petrológico de estas rocas nos puede dar una idea de la composición química de las regiones más profundas en donde se han formado estos magmas. Pero existen dos limitaciones importantes que hacen que estos datos sean poco significativos: -Procesos de diferenciación magmática: que hacen que la composición de la lava arrojada no sea representativa de la del magma original. -Inclusiones y contaminación de magmas: pueden aportar datos más importantes para el estudio del interior, pues son fragmentos de rocas profundas que han sido arrancadas e incorporadas por el magma que circula en su ascensión. También pueden alterar la composición del magma original por reacción química con los componentes del propio magma.

10 Actualmente los métodos de estudio directos son insuficientes para el estudio del interior del planeta. A qué se deben estas limitaciones?

11 2.2. Métodos indirectos Las siguientes imágenes de la animación están bajo licencia de Creative Commons (Wikipedia Commons): Sistema solar, autores:h Smith and Laura Generosa (NASA); Tierra (NASA); corte Tierra. Analiza la animación anterior y responde a la siguiente pregunta: a partir de los datos de densidad calculados Qué conclusión se puede obtener sobre la densidad del interior terrestre? a qué otras conclusiones se pueden llegar?

12 Estudio de la densidad Tal como has visto para calcular la densidad de un cuerpo se necesita la masa y el volumen. El volumen de la Tierra se puede conocer por métodos geodésicos y la masa se calcula matemáticamente a partir del valor de la gravedad. Mediciones muy exactas llevadas a cabo modernamente arrojan un valor de densidad media de la Tierra de 5 5 gr/cm 3. Esta densidad resulta más alta que la de las rocas superficiales a las que tenemos acceso de modo directo (granito, basalto ) Hay que admitir, por tanto, que en el interior de la Tierra debe de haber materiales y rocas de mayor densidad para subir la media. Ensayos en laboratorio En los laboratorios se realizan desde estudios geoquímicos de minerales, rocas, meteoritos y fluidos, hasta análisis de tipo físico sobre muestras. También se reproducen, a escala, las condiciones que se cree existen en diversos procesos geológicos, mediante bancos de pruebas y modelos simulados. Un ejemplo es el de las células de yunque de diamantes, con las que se simula las condiciones de alta presión del interior terrestre. Estudio de meteoritos Son pequeños cuerpos planetarios que cruzan la órbita de la Tierra y debido a su atracción gravitatoria pueden llegar a caer en su superficie. Tienen edades de unos M.a. (= que la de la Tierra) y también derivan de la materia a partir de la que se formó el Sistema Solar. En función de su composición, hay varios tipos: - Metálicos o Sideritos: constituido por una aleación de Fe y Ni. d= 7,5 g/cm 3. Abundancia: 5% - Mixtos o Siderolitos: aleación Fe-Ni y silicatos en la misma proporción. d= 5 0 g/cm 3. Abundancia: 2% - Rocosos o Aerolitos: son los más abundantes y ligeros, d=3.5 g/cm 3 Abundancia: 93%. Imágenes bajo licencia de Creative Commons (Wikipedia Commons): Meteorito metálico, autor:dr. Svend Buhl; Siderolito y Aerolito (NASA) De su estudio se deduce que todos los planetas, como la Tierra, tienen una estructura en capas, siendo conocidas en los meteoritos las capas más profundas que son las que más resisten la desintegración. Por similitud, los aerolitos corresponderían a la composición de la corteza y el manto, los sideritos al núcleo y los siderolitos al límite del núcleo y el manto. De todo esto no hay nada

13 Ésta es la web de la Red de investigación sobre bólidos y meteoritos, en ella encontrarás más datos sobre los tipos de meteoritos encontrados y qué clase de información nos proporcionan. METEORITOS: LAS PIEDRAS ROSETTA DE LA CIENCIA. Decide si los siguientes enunciados son ciertos o no: Por comparación de la densidad de rocas superficiales con la media del planeta, deducimos que la estructura y composición de la Tierra son heterogéneas. En el laboratorio se utilizan células de yunque de diamante para hacer análisis químicos del interior terrestre. El estudio de los meteoritos consiste en la compararación de su estructura y composición con la de nuestro planeta, ya que tienen la misma edad y condiciones de formación. Los siderolitos, por su composición, corresponderían a la corteza terrestre.

14 Métodos geofísicos

15 Los métodos geofísicos intentan conocer las características del interior terrestre basándose en la medida de ciertas magnitudes físicas tomadas generalmente en la superficie del terreno. Los métodos geofísicos más utilizados son: geotérmico, magnético, gravimétrico, eléctrico y sísmico. Este último es, con diferencia, el que mejor permite conocer el interior terrestre. Método geotérmico * La temperatura de la Tierra aumenta con la profundidad. Se denomina gradiente geotérmico el aumento de temperatura que se produce cada 100 metros. Su valor medio en la corteza terrestre es de 3º C. * Este valor puede variar de unas zonas a otras (anomalías térmicas). Por ejemplo, la presencia de masas fundidas (magma) cerca de la superficie hace que el valor del gradiente sea mayor del esperado (anomalía positiva). * Las fuentes de calor interno que se barajan serían dos: calor residual o primitivo y la descomposición de isótopos radiactivos. Fuente de animación sonda térmica: Isla de las Ciencias (IFSTIC) autor: Manuel Merlo Fernández Métodos geomagnéticos * La Tierra genera un campo magnético en su entorno, de carácter bipolar. Es como un gigantesco imán. * La intensidad de este campo se puede medir en superficie mediante instrumentos específicos (magnetómetros). * La unidad de medida que se utiliza para la intensidad magnética es el oersted. Su valor normal en la superficie de la tierra es de 0,4 oersted. Dicho valor puede variar (ver mapa de anomalías inferior). Por ejemplo, la presencia de metales de hierro cerca de la superficie

16 Como vimos en el estudio de las capas atmosféricas, el campo magnético de la Tierra nos protege de peligrosas radiaciones solares. En otro ejemplo de interaccion entre los subsistemas, este magnetismo se origina en el núcleo de nuestro planeta, puedes aprender más sobre el magnetismo y el núcleo en el siguiente enlace: MAGNETISMO TERRESTRE. El gradiente geotérmico: Aumenta con la profundidad. Disminuye con la profundidad. Es constante en su variación. El campo magnético terrestre: Tiene una intensidad de 4 oersted. Aumenta su intensidad cerca de yacimientos de hierro. No ha sufrido variaciones a lo largo de la historia. Los métodos gravimétricos: Se basan en la medición de la mayor o menor conductividad de las rocas Pueden sufrir variaciones debidas a la diferente densidad del subsuelo. Los valores que mide han sufrido cambios en la historia del planeta.

17 Investigación geofísica

18 1- Utiliza la animación inferior (Simulación: métodos de estudio) para realizar medidas en distintos puntos de la isla. Sitúa la estación geológica en los puntos que se indican en la tabla inferior y señala el valor de gradiente térmico, gravedad e intensidad magnética obtenidos (indica en cada caso si existen anomalías positivas o negativas). Nota: Indicar valor numérico en columna de gradiente, gravedad, magnetismo y signo + o - en anomalías (si existiese) Para realizar más cómodamente esta actividad sería conveniente copiar o imprimir esta tabla en papel e ir anotando los resultados que se obtengan haciendo uso del simulador 2- Utiliza la animación inferior (Simulación: métodos de estudio) y averigua qué mapas de los representados más abajo muestran correctamente la variación de gradiente geotérmico, gravedad e intensidad magnética en la isla (en los mapas no aparecen valores numéricos, para comparar los datos observa qué zonas presentan valores más o menos altos).

19 3. Estructura interna de la Tierra

20 3.1. Discontinuidades

21 La simple observación de cómo varían las velocidades de las ondas P y S, pone de manifiesto la existencia de cambios bruscos en la velocidad de las ondas, que corresponden a superficies de separación de materiales de diferente comportamiento y naturaleza. Dichos cambios corresponden con las discontinuidades sísmicas. La presencia de estas discontinuidas indica una constitución heterogénea del globo terrestre. Las principales discontinuidades que encontramos en el interior terrestre son las siguientes: 1-Discontinuidad de Mohorovicic * Presenta unos límites irregulares, unas veces se encuentra a 65 Km de profundidad bajo grandes cordilleras y otras veces se encuentra a 5 Km en el fondo de los océanos. * Esta discontinuidad está generalizada en toda la Tierra. Separa corteza y manto. 2-Discontinuidad de Repetti * Se encuentra entre los 800 y Km de profundidad. Separa el manto superior del inferior. 3-Discontinuidad de Gutenberg * Sobre Km las ondas P sufren un cambio brusco en su velocidad de propagación y las S dejan de propagarse; es ahí donde se encuentra esta discontinuidad, que separa el manto del núcleo (que debe encontrarse en un estado fluido). 4-Discontinuidad de Wiechert-Lehmann * A unos Km de profundidad se produce un aumento relativamente importante de la velocidad de las ondas P. * Separa el núcleo externo del interno, que se prolonga hasta el centro terrestre a unos Km. Existe también una discontinuidad "menor", pero de sumo interés, la capa de baja velocidad, corresponde con una zona comprendida entre 100 y 250 km de profundidad en el que se origina un descenso en la velocidad de las ondas P y S.

22 Cuando las ondas sísmicas P y S alcanzan la discontinuidad de Gutenberg (superficie entre el manto inferior y el núcleo externo ), sufren modificaciones muy importantes: las ondas P viajan más lentas y sufren desviaciones en su dirección, las ondas S, al no poder atravesar medios líquidos, desaparecen. Esta desviación de las ondas P y desaparición de las ondas S crea zonas de sombra sísmicas. Las ondas S, por ejemplo, no alcanzan las zonas de la Tierra a partir de los 105º en cualquier dirección del foco del seísmo. Consulta la siguiente página en la que puedes ver animaciones correspondientes a las oscilaciones de los dos tipos de ondas y cómo se forma la zona de sombra: ONDAS SÍSMICAS. PROYECTO BIOSFERA. Rellena los espacios con la respuesta correcta: El estudio de la velocidad a que se propagan las ondas sísmicas a través del interior de la Tierra, nos ha permitido deducir la existencia de diferentes "capas" o debidas a cambios en la de los materiales que atraviesan; las mayores velocidades se corresponden con los materiales más densos, mientras que en materiales más fluidos disminuye la velocidad, o directamente desaparecen, como las ondas. La primera discontinuidad, llamada de, oscila entre los 5 km y los 65 km, bajo las, La discontinuidad de Repetti separa el inferior del superior. Casi a los km, las ondas S dejan de propagarse, es el límite superior del. Por último, la discontinuidad de separa el núcleo externo del interno, que al parecer se halla en estado. Comprobar

23 3.2. Modelo geoquímico y geodinámico

24 En la actualidad, y gracias a todos los métodos estudiados con anterioridad y principalmente a los métodos sísmicos, se diferencian dos modelos acerca de la estructura y composición de la Tierra. Modelo Geoquímico: (Bullen, 1.963) Que divide a la Tierra en capas concéntricas basándose en su composición: corteza, manto (superior e inferior) y núcleo (externo e interno). Modelo Dinámico: este modelo se ha tenido en cuenta el estado físico y la dinámica de las capas. * En la zona más superficial existe una capa de comportamiento rígido de un espesor de 100 Km, llamada litosfera, la cual incluye a la corteza y una región llamada manto litosférico que forma parte del manto superior. * Entre 100 y 250 Km se halla una zona de comportamiento plástico, que corresponde con el canal de baja velocidad. Esta zona se considera que está formada por materiales parcialmente fundidos. Recibe el nombre de astenosfera, y en ella se originan corrientes de convección que determinan la dinámica de la litosfera. * A partir de 250 Km y hasta Km se sitúa la mesosfera, con una dinámica de corrientes de convección, penachos o plumas térmicas. * Por último, la endosfera coincidiendo con el núcleo del modelo geoquímico.

25 El modelo de estudio dinámico: Tiene en cuenta la composición química de los materiales para establecer distintas capas. Separa distintas capas según su estado físico principalmente. Es el modelo más actual. Ver solución Las corrientes de convección: Se forman en la endosfera. Son las responsables de la dinámica de placas. Aparecen en mesosfera y astenosfera. Ver solución La endosfera: Coincide con el núcleo del modelo geoquímico. Aparece a los 5100 km de profundidad. Se encuentra en estado sólido en su parte más interna. Ver solución

26 4. Composición y características de cada capa Imagen bajo licencia de Creative Commons (Wikipedia Commons) autor: Jeremy Kemp. Una vez explicados los métodos que nos permiten conocer el interior terrestre, así como los distintos modelos que se proponen sobre su estructura, pasemos a analizar cada una de las capas propuestas: Corteza, Manto y Núcleo. Con especial atención a la primera, ya que los procesos que en ella ocurren nos afectan de forma directa. Consulta los subapartados de este punto para conocer mejor cada capa.

27 4.1. Corteza terrestre

28 Caraterísticas * Es la capa más superficial del planeta limitada en su parte inferior por la discontinuidad de Mohorovicic. * Presenta un espesor variable, 5 a 65 Km, y es la capa más conocida y mejor estudida, debido a su accesibilidad. * Los elementos químicos de los que está formada son: O, Si, Al, Ca, K, Na, Fe y Mg. * La variación en composición de las regiones oceánicas y continentales, así como su distinto espesor, hace que se consideren por separado uno y otro tipo de corteza. La corteza continental tiene mayor espesor y un composición menos densa que la de la corteza oceánica. 1-Corteza Continental 2-Océ 3- Manto 4- Corteza oceán Imagen bajo licencia de Creative Com (Wikipedia Commons) autor: Michel d Estructura horizontal de la corteza terrestre Enla corteza terrestre podemos distinguir distintos tipos de zonas geológicas, cada una definida por un relieve característico. * Cratones: zonas centrales de los continentes, topográficamente llanas y geológicamente estables. Zonas muy antiguas de la corteza, arrasadas por la erosión y con pocos sedimentos. * Orógenos o cordilleras actuales: regiones geológicamente activas, con topografías escarpadas, con capas de sedimentos bien desarrolladas y deformadas por los procesos tectónicos. Ocupan las zonas periféricas de los continentes. * Fondos oceánicos o abisales: por lo general a profundidades superiores a m, topografía más o menos llanas en las que aparecen elevaciones de diferente tipo: mesetas, guyots, volcanes, islas, etc. * Dorsales oceánicas: cordilleras volcánicas submarinas de miles de kilómetros de longitud que poseen un eje o valle central llamado Rift. * Fosas oceánicas: depresiones estrechas y profundas del fondo oceánico que pueden llegar a alcanzar los 11 Km y están próximas a los bordes continentales o arcos islas.

29 El estudio de los cratones, y los de minerales que contienen, nos proporciona valiosa información para reconstruir la historia geológica de las rocas más antiguas del planeta. Por qué crees que los datos de los cratones son los más válidos? EL RELIEVE OCEÁNICO Consulta ésta página sobre el relieve de los fondos marinos, donde se desarrollan contenidos acerca de los fondos oceánicos y las dorsales oceánicas, con una relación de las fosas más profundas del planeta. También podrás leer sobre la historia de la exploración de los fondos oceánicos y la vida que se desarrolla en esas regiones. MAR: FONDOS MARINOS. Vamos a repasar algunos conceptos sobre la corteza oceánica, determina cuáles de las siguientes cuestiones son ciertas: La corteza continental es más densa y gruesa que la oceánica. Los orógenos o cordilleras se sitúan en las zonas centrales de los continentes. Las dorsales oceánicas son enormes cordilleras de miles de km de longitud que atraviesan los océanos. Las fosas oceánicas son zonas más profundas en el centro de las dorsales.

30 4.2. Manto Composicion y características del Manto * Se extiende desde la discontinuidad de Mohorovicic, hasta la discontinuidad de Gutenberg a Km de profundidad. Supone un 83% del volumen y un 65% de la masa total del planeta. * La discontinuidad de Repetti lo divide en dos partes, superior e inferior, de densidades diferentes, 3 5 g/cm3 y 5-6 g/cm3. * La composición del manto es fundamentalmente a base de rocas ultrabásicas (peridotitas y eclogitas). La composición del manto inferior y superior es similar, sólo que los minerales en profundidad son más densos y compactos, debido al efecto de las presiones reinantes. * A pesar de su profundidad se cree que el manto está implicado en los procesos dinámicos del planeta. En él se originan los llamados puntos calientes, así como del vulcanismo especialmente activo que tiene lugar en determinados puntos de la Tierra. Como has leído anteriormente, el conocimiento del interior de nuestro planeta requiere de técnicas y métodos indirectos, ya que no se puede acceder a él. En la actualidad el desarrollo de nuevos métodos permite avanzar en lo que sabemos y, en ocasiones, los nuevos descubrimientos contradicen lo que se daba por válido originalmente, cuando se confirman. Pues bien, nuevos datos permiten afirmar la existencia de una nueva capa en el manto no descrita anteriormente, entre los 1000 y 1200 km llamada "zona de transición del espín". Sigue leyendo en este enlace: CIENCIA KANIJA.

31 Tras la lectura del párrafo anterior y del artículo sobre el manto, decide si los siguientes enunciados son verdaderos o falsos: Se extiende desde la discontinuidad de Mohorovicic hasta la de Repetti. La diferencia de densidades entre sus dos zonas, nos indican un aumento de la compactación de sus materiales a mayor profundidad. La composición química en sus dos zonas es muy diferente. En torno a los 1000 km se ha definido una nueva zona de transición en el manto.

32 4.3. Núcleo Composición y características del núcleo * Es la capa más interna de nuestro planeta y se extiende desde la discontinuidad de Gutenberg al centro de la Tierra, Km. Supone un 14% del volumen y un 32% de la masa total del planeta. * Está dividida en dos subcapas por la discontinuidad de Wiechert-Lehmann. Un núcleo interno de naturaleza fluida, ya que no transmite las ondas S, y un núcleo interno sólido, en virtud del incremento brusco que sufre la velocidad de las ondas P. * Debido a que en el núcleo se da un aumento importante de la densidad y, unido, a la abundancia cósmica de Fe (sideritos), hace pensar que sea el Fe, el candidato perfecto para la composición del núcleo. * Se supone una composición formada fundamentalmente por una aleación de Fe-Ni con un 6% de Ni. Sin embargo la densidad del núcleo es algo más baja que lo que resulta de esta aleación, por lo que hay que pensar que en intervienen elementos más ligeros como el S, Si e incluso O. * En cualquier caso, la naturaleza metálica del núcleo y la dualidad de fases sólido-líquido, favorecen la idea de que el campo magnético es de origen interno y se debe principalmente a esos dos factores. Mira en el siguiente enlace un pequeño vídeo sobre el núcleo, la central energética de nuestro planeta, y la posibilidad de que se detenga, como al parecer ocurrió en Marte. EL NÚCLEO DE LA TIERRA. SU PODER SE ESTÁ DESVANECIENDO.

33 En el programa Tres14 reflexionan sobre una película de ciencia ficción "El núcleo" en la que unos investigadores deben viajar hasta el núcleo de nuestro planeta. Se trata de una ficción que pone de manifiesto la imposibilidad de hacerlo por multitud de razones. En la actualidad, nuestros conocimentos de las capas internas de nuestro planeta se deben a métodos indirectos y deductivos.

34 Repasa los conceptos con este cuestionario de verdadero o falso: La masa del núcleo constituye prácticamente un tercio de la masa total del planeta. El núcleo exterior es sólido y la parte más interior del planeta, es de naturaleza fluida. Para conocer la composición química del núcleo, mayoritariamente de Fe, nos valemos del estudio de los meteoritos, y el comportamiento de las ondas sísmicas. Se supone que el campo magnético se debe al Níquel presente en el núcleo.