¿Por qué la superficie de la Tierra es cómo es?
La Superficie de la Tierra. Las Fuerzas que la conforman. Fuente: Colaje Imágenes Google
Hoy os muestro la traducción de una nota de prensa basada en un artículo original que pretende explicar las razones que han conducido a que la superficie de la Tierra sea como es. Sin entrar en detalles científicos y en críticas que se me ocurren, se me antoja un material didáctico digno de que lo leáis en español-castellano, más aun por cuanto narra la historia de tal indagación desde sus inicios, en el siglo XIX. El Título de la noticia, traducida al castellano es el siguiente: “Una investigación sobre cómo las fuerzas planetarias dan forma a la superficie de la Tierra”. Por su parte, el artículo original, del que solo os he traducido el resumen, llevaba el siguiente encabezamiento: “Isostasia global de la litosfera completa: implicaciones para las elevaciones de la superficie, estructura, fuerza y densidades de la litosfera continental”. Me permito el lujo de no añadir nada más, por cuanto se trata de una síntesis cuyo análisis requeriría más conocimientos de los que yo personalmente poseo, así como la extensión de un texto que sobrepasaría con creces el límite razonable de un post.
Leerla, ya que os puede ser muy útil, añadiendo algunos elementos que ni la mayoría de los profesionales conocíamos.
Juan José Ibáñez
Continúa…….
New research on how planetary forces shape the Earth’s surface
by Simon Lamb for WGTN News; Wellington NZ (SPX) Sep 30, 2020
Have you ever wondered why the Earth’s surface is separated into two distinct worlds – the oceans and large tracts of land?
Why aren’t land and water more mixed up, forming a landscape of lakes? And why is most of the land relatively low and close to sea level, making coastal regions vulnerable to rising seas?
Our new research uncovers the fundamental forces that control the Earth’s surface. These findings will help scientists calculate how land levels will respond to the melting of ice sheets and rises in sea level, as a consequence of global warming, as well as providing insights into changes in land area throughout our planet’s history.
Rocky icebergs
The research draws on the work by an inspiring early geologist. In 1855, the British Astronomer Royal George Biddell Airy published what is arguably one of the most important scientific papers in the earth sciences, setting out the basic understanding of what controls the elevation of the planet’s surface.
Airy was aware the shape of the Earth is very similar to a spinning fluid ball, distorted by the forces of rotation so that it bulges slightly at the equator and flattens at the poles. He concluded the interior of the Earth must be fluid-like.
His measurements of the force of gravity in mine shafts showed the deep interior of the Earth must be much denser than the shallow parts.
Airy then made an extraordinary leap of scientific thinking. He proposed that the outer part of the Earth, which he called the crust, must be floating on underlying «fluid».
An analogy might be an iceberg floating in water – to rise above the surface, the iceberg must have deep icy roots.
Applying the same principle to the Earth, Airy proposed the Earth’s crust also had iceberg-like roots, and the higher the surface elevation, the deeper these roots must be, creating thicker crust.
Airy’s idea provided a fundamental explanation for continents and oceans. They were regions of thick and thin crust respectively. High mountain ranges, such as the Himalaya or Andes, were underlain by even thicker crust.
Tectonic plates
In the 1960s, the new theory of plate tectonics introduced a complication. It added the concept of tectonic plates, which are colder and denser than the deeper mantle (the geological layer beneath the crust).
Over the past two decades, geophysicists have finally put together an accurate picture of the crust in the continents.
We found a surprising result – there seems to be little relation between the average elevations of the continents and the thickness of the underlying crust, except that the crust is much thicker than beneath the oceans. Most of the land area is within a few hundred metres of sea level, yet the thickness of the crust varies by more than 20km.
So why don’t we see the differences in crustal thickness below a continent reflected in its shape above? Our research shows the underlying thick tectonic plate is acting as an anchor, keeping the elevations relatively low even though the buoyant crust wants to rise higher.
We used measurements of the thickness of the tectonic plates, recently determined from the speed of seismic waves. The base of the continental plates reaches up to 250km deep, but most is between 100km and 200km deep.
We also worked out the densities of the different layers from variations in the strength of gravity. It was clear that the dense roots of the plates were capable of pulling down the surface of the Earth in exactly the way needed to explain the actual elevations.
Nueva investigación sobre cómo las fuerzas planetarias dan forma a la superficie de la Tierra
Por Simon Lamb para WGTN News; Wellington NZ (SPX) 30 de septiembre de 2020
¿Alguna vez se ha preguntado por qué la superficie de la Tierra está dividida en dos mundos distintos: los océanos y grandes extensiones de tierra?
¿Por qué la tierra y el agua no se mezclan más, formando un paisaje de lagos? ¿Y por qué la mayor parte de la tierra es relativamente baja y cercana al nivel del mar, lo que hace que las regiones costeras sean vulnerables a la subida del nivel del mar?
Nuestra nueva investigación descubre las fuerzas fundamentales que controlan la superficie de la Tierra. Estos hallazgos ayudarán a los científicos a calcular cómo responderán los niveles de la tierra al derretimiento de las capas de hielo y al aumento del nivel del mar, como consecuencia del calentamiento global, además de proporcionar información sobre los cambios en el área terrestre a lo largo de la historia de nuestro planeta.
Icebergs rocosos
La investigación se basa en el trabajo de un inspirador geólogo temprano. En 1855, el astrónomo británico Royal George Biddell Airy publicó lo que podría decirse que es uno de los artículos científicos más importantes en las ciencias de la tierra, que establece la comprensión básica de lo que controla la elevación de la superficie del planeta.
Airy era consciente de que la forma de la Tierra es muy similar a una bola fluida que gira, distorsionada por las fuerzas de rotación, de modo que se abulta ligeramente en el ecuador y se aplana en los polos. Concluyó que el interior de la Tierra debe ser similar a un fluido.
Sus mediciones de la fuerza de la gravedad en los pozos de las minas mostraron que el interior profundo de la Tierra debe ser mucho más denso que las partes poco profundas.
Airy luego dio un salto extraordinario de pensamiento científico. Propuso que la parte exterior de la Tierra, a la que llamó corteza, debe estar flotando sobre un «fluido» subyacente.
Una analogía podría ser un iceberg flotando en el agua: para elevarse por encima de la superficie, el iceberg debe tener profundas raíces heladas.
Aplicando el mismo principio a la Tierra, Airy propuso que la corteza terrestre también tenía raíces en forma de iceberg, y cuanto mayor es la elevación de la superficie, más profundas deben ser estas raíces, creando una corteza más gruesa.
La idea de Airy proporcionó una explicación fundamental para los continentes y océanos. Eran regiones de corteza gruesa y fina respectivamente. Las altas cadenas montañosas, como el Himalaya o los Andes, estaban sustentadas por una corteza aún más gruesa.
Placas tectonicas
En la década de 1960, la nueva teoría de la tectónica de placas introdujo una complicación. Agregó el concepto de placas tectónicas, que son más frías y densas que el manto más profundo (la capa geológica debajo de la corteza).
Durante las últimas dos décadas, los geofísicos finalmente han elaborado una imagen precisa de la corteza en los continentes.
Encontramos un resultado sorprendente: parece existir escasa relación entre las elevaciones promedio de los continentes y el grosor de la corteza subyacente, excepto que la corteza es mucho más gruesa que debajo de los océanos. La mayor parte de la superficie terrestre se encuentra a unos pocos cientos de metros del nivel del mar, pero el grosor de la corteza varía en más de 20 km.
Entonces, ¿por qué no vemos las diferencias en el grosor de la corteza debajo de un continente reflejado en su forma arriba? Nuestra investigación muestra que la placa tectónica gruesa subyacente actúa como un ancla, manteniendo las elevaciones relativamente bajas a pesar de que la corteza flotante quiere elevarse más.
Utilizamos medidas del espesor de las placas tectónicas, determinadas recientemente a partir de la velocidad de las ondas sísmicas. La base de las placas continentales alcanza hasta 250 km de profundidad, pero la mayoría tiene entre 100 y 200 km de profundidad.
También calculamos las densidades de las diferentes capas a partir de las variaciones en la fuerza de la gravedad. Estaba claro que las densas raíces de las placas eran capaces de derribar la superficie de la Tierra exactamente de la manera necesaria para explicar las elevaciones reales.
A balance of planetary forces
Europe and Asia have very similar average elevations of around 175m above sea level. In Asia, both the crust and tectonic plate are thicker than underneath the European continent, but the weight of the extra thickness balances the tendency for the thicker crust to rise up.
But why is there so much land close to sea level? The answer is erosion. Over geological time, major rivers wear away the landscape, carrying rock fragments to the sea. In this way, rivers will always reduce the continents to an elevation close to sea level.
East Antarctica is the exception that proves the rule. It has been close to the South Pole for hundreds of millions of years, with a climate too cold for large rivers to significantly erode the landscape.
The crust has been «protected» from the forces of erosion and is on average about 5km thicker than all the other southern continents, but it has a similar plate thickness.
The weight of the vast East Antarctic ice sheet is pushing down the underlying bedrock. But if all the ice melted, the surface of East Antarctica would bounce back over the following 10,000 years or so to form the highest continent of all.
This, of course, is no cause for comfort in our present climate predicament, with much of the world’s population living in coastal areas.
Un equilibrio de fuerzas planetarias
Europa y Asia tienen elevaciones medias muy similares de alrededor de 175 m sobre el nivel del mar. En Asia, tanto la corteza como la placa tectónica son más gruesas que debajo del continente europeo, pero el peso del grosor adicional equilibra la tendencia a que la corteza más gruesa se eleve.
Pero, ¿por qué hay tanta tierra cerca del nivel del mar? La respuesta es erosión. A lo largo del tiempo geológico, los grandes ríos desgastan el paisaje, llevando fragmentos de roca al mar. De esta forma, los ríos siempre reducirán los continentes a una elevación cercana al nivel del mar.
La Antártida Oriental es la excepción que confirma la regla. Ha estado cerca del Polo Sur durante cientos de millones de años, con un clima demasiado frío para que los grandes ríos erosionen significativamente el paisaje.
La corteza ha sido «protegida» de las fuerzas de la erosión y tiene en promedio unos 5 km más de espesor que todos los demás continentes del sur, pero tiene un espesor de placa similar.
El peso de la vasta capa de hielo de la Antártida oriental está empujando hacia abajo el lecho rocoso subyacente. Pero si todo el hielo se derritiera, la superficie de la Antártida oriental se recuperaría durante los siguientes 10.000 años para formar el continente más alto de todos.
Esto, por supuesto, no es motivo de consuelo en nuestra situación climática actual, con gran parte de la población mundial viviendo en áreas costeras.
Research Report: «Global whole lithosphere isostasy: implications for surface elevations, structure, strength and densities of the continental lithosphere»
Resumen del artículo original
The observed variations in the thickness of the conductive lithosphere, derived from surface wave studies, have a first order control on the elevation of the continents, in addition to variations in the thickness of the crust ‐ this defines whole lithosphere isostasy (WLI). Negative buoyancy of the mantle lithosphere counters the positive buoyancy of the crust, and together their respective thicknesses and density contrasts determine elevation of the continents both in their interiors and at their edges. The average density contrasts for lithospheric mantle with crust, and with asthenosphere, are typically 300 to 550 kgm‐3 and 20 to 40 kgm‐3 respectively, with a ratio 10 to 16, suggesting moderate average depletion of lithospheric mantle. We show that a crustal model for Antarctica, assuming WLI and using these density contrasts, provides a close fit to estimates of crustal thickness from surface wave tomography, and gravity observations. We use a global model of WLI as a framework to assess factors controlling topography, showing that plausible regional variations in crustal and mantle densities, together with uncertainties in the crustal and conductive lithospheric thicknesses, are sufficient to account for global elevations without invoking dynamic topography greater than a few hundred metres. Estimates of elastic thickness Te in the continents are typically 25 – 50% of the thickness of the conductive lithosphere, indicating that the mantle part supports some of the elastic strength of the lithosphere.
Las variaciones observadas en el espesor de la litosfera conductora, derivadas de estudios de ondas superficiales, tienen un control de primer orden sobre la elevación de los continentes, además de variaciones en el espesor de la corteza, esto define la isostasia de la litosfera completa (WLI). La flotabilidad negativa de la litosfera del manto contrarresta la flotabilidad positiva de la corteza, y juntos sus respectivos espesores y contrastes de densidad determinan la elevación de los continentes tanto en su interior como en sus bordes. Los contrastes de densidad promedio para el manto litosférico con la corteza y con la astenosfera son típicamente de 300 a 550 kgm-3 y de 20 a 40 kgm-3 respectivamente, con una proporción de 10 a 16, lo que sugiere un agotamiento promedio moderado del manto litosférico. Mostramos que un modelo de la corteza para la Antártida, asumiendo WLI y usando estos contrastes de densidad, proporciona un ajuste cercano a las estimaciones del espesor de la corteza de la tomografía de ondas superficiales y observaciones de la gravedad. Usamos un modelo global de WLI como marco para evaluar los factores que controlan la topografía, mostrando que las variaciones regionales plausibles en las densidades de la corteza y el manto, junto con las incertidumbres en los espesores de la corteza y la litosfera conductiva, son suficientes para tener en cuenta las elevaciones globales sin invocar una topografía dinámica mayor, de unos pocos cientos de metros. Las estimaciones del espesor elástico Te en los continentes son típicamente del 25 al 50% del espesor de la litosfera conductora, lo que indica que la parte del manto soporta parte de la resistencia elástica de la litosfera.