L'Atmosfera: Composició, Dinàmica i Efecte Hivernacle

1. Què és l’atmosfera?

L'atmosfera és la capa de gasos que envolta un cos celeste amb una massa suficient per atraure els gasos mitjançant la gravetat i amb una temperatura suficientment baixa perquè els gasos no s’expandeixin i s'escapin. Actua com una capa protectora de les radiacions solars i amortidora de les grans variacions tèrmiques.

2. Quina és la composició de l’atmosfera?

L’atmosfera està formada per:

• Nitrogen (N₂): constitueix el 78% del volum de l'aire. És un gas inert.
• Oxigen (O₂): representa el 21% del volum de l'aire. És un gas molt reactiu i la majoria dels éssers vius l’usen per respirar.
• Argó (Ar): contribueix en el 0,9% al volum de l'aire. És un gas noble.
• Diòxid de Carboni (CO₂): és el 0,03% del volum de l'aire. Les plantes l’usen en la fotosíntesi, i és el residu de la respiració i de les reaccions de combustió. És un gas d’efecte hivernacle.
• Ozó (O₃): gas minoritari que es troba a l'estratosfera. Absorbeix la major part de les radiacions solars nocives.

Hi ha altres gasos menys importants a l’atmosfera, com el vapor d’aigua, que és el principal gas d’efecte hivernacle.

3. Per què l’atmosfera té un caràcter dinàmic?

L'atmosfera és dinàmica perquè en ella es formen corrents de convecció, és a dir, l’aire calent menys dens s’expandeix i s’eleva, i el fred i dens que pesa més ocupa el seu lloc, després es calfa i es forma un cicle. També perquè la composició de l'atmosfera canvia amb el temps: el metà reacciona contínuament amb l’oxigen per produir CO₂ i aigua, però el metà no desapareix perquè sempre es reposa gràcies a processos biològics i geològics; a més, es produeixen gasos d’efecte hivernacle que, segons canvie la seva quantitat a la Terra, fan que canvie el clima i la temperatura.

4. Quina és l’estructura de l’atmosfera?

5. Què és l’efecte hivernacle?

L’efecte hivernacle és el procés pel qual l’atmosfera d’un planeta permet l’entrada de radiació solar, però reté part de l’emissió de calor que rebota de nou cap a l’espai. Això dona lloc a la moderació de les diferències tèrmiques i l’augment de la temperatura mitjana del planeta, en la Terra fa possible que sigui de 16 ºC. Els responsables d’aquest efecte són els gasos d’efecte hivernacle: el vapor d’aigua és el principal; el diòxid de carboni, el segon; i hi ha altres gasos, però en menor proporció. Des de fa un temps s’ha demostrat que l’activitat humana està augmentant l’efecte hivernacle, cosa que podria dur a un escalfament global i al canvi climàtic del planeta.

6. Per què la Terra és un planeta oceànic?

La Terra és un planeta oceànic perquè el 71% de la seva superfície és aigua líquida, formant la hidrosfera. L’aigua que hi ha a la superfície de la Terra, que forma mars i oceans, és líquida per tres raons: la distància al Sol; els gasos d’efecte hivernacle, que impedeixen la total congelació de la hidrosfera; i la gravetat, que manté el vapor d’aigua i limita l’evaporació. A la Terra, l’aigua es presenta en tots els estats i forma un cicle.

7. Què és el cicle de l’aigua?

És el procés que fa l’aigua gràcies als seus canvis d’estat i que explica i permet la seva circulació i conservació. El cicle presenta distintes fases:

1. El Sol escalfa l’aigua dels oceans i els continents, i part d’aquesta aigua s’evapora.
2. El vapor d’aigua s’eleva i posteriorment es condensa en xicotetes gotes d’aigua que formen els núvols.
3. Quan els núvols arriben a zones més fredes, les gotes s'agrupen i cauen en forma de pluja, o en forma de neu o granís si és una zona molt freda.
4. Els corrents subterranis, torrents i rius recullen l'aigua de la pluja o del desgel de la neu i l'aboquen al mar. Finalment, el cicle de l'aigua torna a començar i es repeteix contínuament.

8. Per què és possible el cicle de l’aigua?

El cicle de l’aigua és possible gràcies a què l’aigua es presenta en els seus tres estats (líquid, sòlid i gasós) a la Terra, i això es deu a què en el nostre planeta es donen les condicions perfectes de temperatura i pressió per a què aquesta desenvolupe tots els seus canvis d’estat. La distància de la Terra respecte al Sol i els gasos d’efecte hivernacle mantenen la temperatura adequada per als canvis d’estat de l’aigua i la gravetat reté el vapor d’aigua.

9. Què és el cicle d’erosió?

És el procés de transformació que experimenta el relleu per l’acció de distints factors físics, com són el vent, l’aigua o els éssers vius. Aquest cicle fou ideat per William Morris. El relleu es forma pels processos de tectogènesi i vulcanisme, després l’erosió actua, modifica el relleu i el deteriora al llarg del temps. Les tecnologies i l’ésser humà també poden modificar el relleu. El cicle d’erosió té tres fases:

10. Per què el relleu terrestre és dinàmic?

El relleu terrestre es dinàmic perquè canvia contínuament per diversos fenòmens naturals. El relleu es forma per la tectogènesi o orogènesi i el vulcanisme, després el relleu s’erosiona i els materials es transporten i sedimenten, finalment l’erosió destrueix i aplana el relleu, però aquest es torna a crear gràcies a aquests fenòmens que formen un cicle.

12. Com es pot analitzar l’interior de la Terra?

No s’ha pogut analitzar directament l’interior de la Terra, però existeixen dues formes indirectes d’analitzar-lo:

• Mitjançant la densitat: analitzant la densitat de les roques de la superfície, com el granit, i la de la Terra i comparant-les es pot comprovar que la densitat de la Terra és major i, per tant, a l’interior ha d’haver-hi materials més densos. Es pot deduir que el planeta no és homogeni.
• Mitjançant l’anàlisi de les ones sísmiques: que es produeixen pels terratrèmols i hi ha de dos tipus: P i S. Les ones P (primàries) quan passen pels límits del mantell i del nucli presenten un canvi brusc en la seva velocitat, això indica una variació en l’estructura terrestre i canvis en les propietats físiques dels materials profunds. Les ones S (secundàries) no es propaguen per fluids i es deixen de transmetre a 2900 km, la qual cosa indica una capa fluïda a què anomenem nucli extern. Gràcies a aquestes investigacions s’ha pogut saber l’estat i les propietats de la matèria a l’interior de la Terra, que s’ha dividit en capes.

13. És possible viatjar al centre de la Terra?

No, ja que l'elevada temperatura i pressió no ho permeten. De totes maneres, per a poder accedir a l’interior de la Terra hauríem d’utilitzar taladres molt més potents que els actuals, més veloços que solament avancen uns 300 metres diaris. A aquest ritme, arribar al centre de la Terra portaria 58 anys. A més a més, hauríem de tenir roba adaptada per a poder suportar l’alta temperatura, ja que la que existeix avui en dia sols ens permet arribar a la part més externa del mantell superior. Fins ara no hem aconseguit ni travessar l’escorça.

14. Quina és l’estructura interna de la Terra?

16. Qui era Alfred Wegener?

Alfred Lothar Wegener (1880-1930) fou un científic, geofísic i meteoròleg interdisciplinari alemany. Va realitzar diverses expedicions a Groenlàndia, on va morir, per estudiar la circulació de l’aire a les zones polars. Les seves obres més importants són Termodinàmica de l’atmosfera (1911), L’origen dels continents i els oceans (1915) i Els climes en el passat geològic (1924), en les quals va desenvolupar la teoria de la deriva continental i hi va aportar proves. Va ser professor a Marburg i va participar en la Primera Guerra Mundial. Va morir sense el reconeixement de les seves teories, que avui estan acceptades.

17. Què era la teoria del desplaçament continental?

Fou una teoria proposada per Alfred Wegener el 1912 que deia que els continents es movien i s’allunyaven uns dels altres. Wegener va dir que els continents actuals van estar units en el passat, formant un supercontinent, que va denominar Pangea, que significa "tota la terra", que després es va trencar i els continents es van separar fins les seves posicions actuals. Va aportar quatre tipus de proves (geogràfiques, paleontològiques, geològiques i paleoclimàtiques), però la teoria fou inicialment descartada per la comunitat científica de l’època perquè mancava d’un mecanisme per explicar el moviment dels continents.

18. Quina era la prova geogràfica de la teoria?

Les línies de costa dels continents tenen formes similars i coincideixen com si foren un trencaclosques (els golfs i els caps encaixen), per tant, en el passat deguessin estar junts en un sol continent, Pangea, amb un únic oceà, Panthalassa.

19. Quines són les proves paleontològiques?

Hi ha diversos exemples de fòssils d'organismes idèntics que s'han trobat en llocs allunyats actualment per milers de quilòmetres, com l’Antàrtida, l’Índia, Amèrica del Sud, Àfrica i Austràlia. Els estudis paleontològics indiquen que aquests organismes prehistòrics hagueren sigut incapaços de recórrer i creuar els oceans que avui separen aqueixos continents. Per això, aquesta prova indica que abans els continents van estar reunits.

20. Quines són les proves geològiques?

Si s'uneixen els continents en un de sol, podem observar que els tipus de roques, la cronologia d'aquestes i les cadenes muntanyoses principals tindrien continuïtat física, és a dir, formarien un cinturó quasi continu. Per tant, podem deduir que moltes formacions geològiques i serralades es van originar quan els continents estaven reunits i després es van separar quan aquests ho van fer.

21. Quines són les proves paleoclimàtiques?

S’han trobat dipòsits glacials contemporanis en zones actualment càlides: Sud-Amèrica, Àfrica, Índia, Austràlia i Antàrtida, que es pensa que són el residu d’un període glacial que va ocórrer fa 300 milions d’anys quan els continents es trobaven junts i prop del pol Sud. I s’han trobat sals típiques de zones àrides en zones fredes, Canadà i Groenlàndia, que es trobaven als tròpics en el passat. Els climes que tenien en el passat els actuals continents són inexplicables si no suposem que es trobaven en posicions distintes a les actuals.

22. Quin era el problema de la teoria de la deriva?

Wegener no va saber explicar el mecanisme responsable del moviment dels continents. Va proposar que la força del camp gravitatori que exerceix la lluna sobre la Terra i les marees era la mateixa que originava la deriva continental i que els continents solcaven l'escorça, però actualment sabem que aquests arguments eren erronis, encara que la seva teoria va assentar les bases per a la revolucionària teoria de la tectònica de plaques, que permet explicar el moviment de les plaques gràcies als corrents de convecció del mantell.

24. Per què la litosfera està fragmentada?

(Com podem evidenciar que la Terra està fragmentada?) Les zones de gran activitat sísmica i volcànica no es troben distribuïdes per atzar, sinó que estan alineades. Aquestes alineacions mostren on estan les vores de les plaques tectòniques.

25. Per què augmenta el fons oceànic?

El fons oceànic augmenta a causa de les dorsals oceàniques, que són unes grans elevacions submarines que es troben al centre dels oceans i que posseeixen un solc central, anomenat rift, pel qual ix el magma, provinent del mantell i impulsat pels corrents de convecció, que al refredar-se, solidifica, s’acumula i augmenta el relleu. La renovació contínua de fons oceànic per la dorsal cap als dos costats d’aquesta fa que l’oceà s’eixample i que els continents se separen, les noves roques empenten a les altres. Les dorsals presenten una intensa activitat volcànica.

25.2. Quins tipus de plaques hi ha?

• Oceàniques: formen únicament part de l’escorça oceànica i estan totalment submergides, excepte per illes volcàniques. Exemples: Placa Pacífica, Placa de Nazca, Placa de Cocos i Placa Filipina.
• Mixtes: formen part de l’escorça oceànica i de la continental. Exemples: Placa Sud-americana i Placa Eurasiàtica.

Hi ha plaques considerades principals (Placa Sud-americana, Placa Nord-americana, Placa Eurasiàtica, Placa Indoaustraliana, Placa Africana, Placa Antàrtica, Placa Pacífica) i secundàries (Placa de Cocos, Placa de Nazca, Placa Filipina, Placa Aràbica, Placa Escocesa, Placa del Carib). Hi ha microplaques (Placa de Cap de Pardal, Placa de Panamà) i plaques antigues (Placa de Kula, Placa de Farallón), que són plaques que ja s’han afonat baix una altra per un procés de subducció, però de les quals se n’ha detectat presència.

26. Quins tipus de vores hi ha?

• Vores divergents o constructives: els corrents de convecció del mantell fan que el magma ascendisca per les dorsals oceàniques o els rifts continentals, es solidifique i genere nova escorça que separa les plaques.
• Vores convergents o destructives: són zones en les quals dues plaques col·lisionen. Si les dues plaques són continentals, la col·lisió fa que s’eleven i formen una serralada, perquè les dues tenen la mateixa densitat. Si una de les plaques és continental i l’altra oceànica, l’oceànica, que és més densa, s’enfonsa en el mantell sota l’altra i produeix una zona de subducció. Es destrueix el relleu.
• Vores passives: també s’anomenen falles i són zones on hi ha una fractura que separa dues plaques que es mouen en direccions paral·leles, però en sentit oposat. No es crea ni es destrueix litosfera. Hi ha molta sismicitat per la fricció produïda.

27. Què són els límits divergents?

Un límit divergent és la vora que existeix entre dues plaques tectòniques que se separen. Segons s’allunyen les plaques, ix nou material del mantell, impulsat pels corrents de convecció, que crea nova escorça. Hi ha dos tipus:

• Dorsals oceàniques: són serralades submarines que tenen un rift central per on ix el magma. Eixamplen els oceans i separen els continents. Són la forma més comú de límit divergent. Exemple: Dorsal Atlàntica.
• Rift continental: el magma ix per una zona d’escorça continental. És la fase inicial del límit divergent. Exemple: Rift d’Àfrica.

En aquests tipus de límits hi ha una gran activitat sísmica i volcànica.

28. Què són els límits convergents?

Un límit convergent és la línia de xoc entre dues plaques tectòniques que s’acosten una cap a l’altra. Sempre hi ha una gran activitat sísmica. Podem trobar tres casos:

• Si es produeix un xoc entre una placa oceànica i una continental, la placa oceànica, que és més densa, s’enfonsarà en el mantell sota la continental creant una zona de subducció i destruint relleu litosfèric. Si de la subducció es produeix magma, es crearà una serralada volcànica.
• Si les dues plaques que xoquen són continentals, al ser igual de denses, cap de les dues cedirà i la col·lisió provocarà un plegament produint una elevació del terreny, una serralada, amb molta sismicitat, però sense activitat volcànica.
• Si les dues plaques són oceàniques, es formarà un arc d’illes.

29. Com s’han format les serralades dels Alps?

Els Alps són una serralada que es troba a Europa i que es va formar fa 30 milions d’anys, quan Àfrica, que es dirigia cap al nord, va xocar contra Europa i va tancar el mar de Tetis. Com les dues litosferes eren continentals, el xoc va produir un plegament, que va alçar els dipòsits de pedra calcària, els sediments i els fòssils que estaven en el fons marí i va formar la serralada. Els pics més alts tenien l’altura de l’Himalaia, però la feblesa de la roca i la gran erosió de les glaceres i el desgel de l’última glaciació van fer que la seva altura baixara fins a l’actual, l’erosió encara segueix desgastant-los amb rapidesa. Avui aquest moviment d’Àfrica cap a Europa encara està produint-se i en el futur col·lisionaran.

30. Com es formen els arcs d’illes volcàniques?

Els arcs d’illes volcàniques es formen quan una placa oceànica xoca contra una placa continental, menys densa, i crea una zona de subducció. Les altes temperatures i pressió a què se sotmeten els materials de la placa que s’afona fan que aquests es fonguen i que ascendisquen cap a la superfície. El magma ix per volcans i se solidifica en els fons marins propers a la zona de subducció, formant cadenes d’illes volcàniques. Aquests arxipèlags estan entre les fosses (zones de subducció) i els continents. Exemples: Illes del Japó i Creta.

31. Com s’ha format la falla de Sant Andreu?

Fa uns 200 milions d’anys la Placa Pacífica va xocar contra la Placa Nord-americana i es va crear una zona de subducció, la Placa Pacífica s’enfonsava sota l’altra. Aquest procés va durar fins que es van trobar dues zones litosfèriques amb condicions semblants, cap de les dues va cedir i les plaques es veieren obligades a canviar de direcció. Aleshores, la Placa Pacífica va començar a desplaçar-se cap al nord respecte de la Placa Nord-americana i fa 20 milions d’anys es va formar la falla de Sant Andreu pel lliscament d’una placa respecte de l’altra. Aquest moviment provoca gran fricció i sismicitat.

32. Com s’ha format la serralada de l’Himalaia?

Fa 50 milions d’anys, l’Índia, que es dirigia cap al nord, va xocar contra la placa Eurasiàtica i va tancar l’oceà que les separava. Al ser dues litosferes continentals, igual de denses, el xoc va provocar un plegament i una deformació dels estrats, produint una elevació del terreny, la serralada de l’Himalaia, acompanyada d’abundant sismicitat, però no d’activitat volcànica perquè la placa oceànica ja s’havia extingit.

33. Com s’han format les serralades dels Andes?

Els Andes es van formar a finals del Mesozoic per la subducció de la placa de Nazca sota la placa Sud-americana, que encara continua. Aquesta subducció va produir una fusió dels materials que van eixir de nou a l’escorça i van formar una serralada volcànica. Hi ha gran sismicitat.

34. Per què es mouen les plaques tectòniques?

Les plaques tectòniques es mouen gràcies als corrents de convecció del mantell i la gravetat. El mantell, que és sòlid, es comporta com un material plàstic. En ell, els materials més propers al nucli i més calents, que són menys densos i pesats, ascendeixen, i els materials més propers a l’escorça i més freds, que són més densos i pesats, descendeixen i es posen en el seu lloc. Així es creen uns corrents que arrosseguen les plaques que tenen al damunt, a més, el magma que ix per les dorsals provinent del nucli també espenta les plaques. Es pensa que en les zones de subducció la gravetat enfonsa la litosfera oceànica al mantell, i després aquesta arrossega amb si la resta de la placa.

35. Quin és l’origen de l’energia interna de la Terra?

L’origen de l’energia interna de la Terra és la calor produïda pels impactes de les roques que van formar el planeta juntament amb l’energia produïda per la desintegració d’àtoms inestables, que van fondre tot el planeta. Aquesta fusió va permetre la redistribució dels materials i va crear les capes de la Terra i el nucli metàl·lic. Amb el pas del temps, l’energia s’allibera a l’espai i el planeta es solidifica i refreda.

36. Què origina el relleu?

El relleu s’origina com a conseqüència dels processos geològics interns i la dinàmica litosfèrica. El relleu es forma en les dorsals i en els punts calents on el magma genera nova escorça. Els terratrèmols i els moviments de les plaques poden deformar les roques i estrats del relleu, que se sotmeten a grans tensions, i produir plecs, falles i diàclasis. En les vores convergents es donen els moviments orogènics que produeixen les serralades. Si es crea una zona de subducció, el magma produït que ix a l’exterior pot formar una serralada pericontinental d’activitat volcànica o un arc d’illes volcàniques. Si es produeix una col·lisió continental es produirà un plegament que formarà una serralada amb sismicitat, però sense activitat volcànica.

37. Què destrueix el relleu?

La destrucció del relleu està produïda pels agents geològics externs, com són el vent, l’aigua, el gel i els éssers vius, que provoquen el desgast de la roca i en transporten el material. Aquests agents desgasten les elevacions i farceixen les depressions, aplanant així el relleu. La destrucció del relleu es produeix seguint les següents etapes: meteorització (desgast in situ), erosió (desgast associat al transport), transport i sedimentació.