Energías alternativas: la energía de la tierra

Enfriamiento planetario y calentamiento global.  Teorías mas recientes.  ¿Como se sabe todo esto? ¿Se puede aprovechar ésta energía?

Enfriamiento planetario y calentamiento global

Géiseres, fuentes termales, fumarolas, volcanes que arrojan toneladas de lava hirviente..., terremotos que destruyen puentes, carreteras, edificios y ocasionan la muerte de decenas y cientos de miles de personas.  ¿Cuál es la fuente de toda esta energía? ¿El sol? Algunos opinan que la fuente es la energía térmica liberada por la lenta desintegración del uranio y otros elementos radiactivos.  Sin embargo, ésta no es la única explicación posible.

Cierta vez alguien me preguntó: si es el Sol quien calienta la tierra, entonces ¿por qué en la cima de las montañas, más cercanas al sol, hace más frío que en la base?  Confieso que en aquel instante no supe que responder; sin embargo, la respuesta es en realidad muy simple.  A pesar del conocido fenómeno del “calentamiento global” nuestro planeta, como un todo, no se calienta; se está enfriando desde hace miles de años.  La energía fluye continuamente de su interior más caliente -a la temperatura de unos 6500o C- hacia el exterior más frio.

Aclaremos. 

En la superficie del planeta existe un equilibrio muy delicado entre la radiación que se recibe del sol y la que emite la tierra.  En los últimos años este equilibrio se ha ido alterando, principalmente a causa de las emisiones del CO2 gaseoso de los vehículos, la industria y la tala de bosques (que absorben CO2), desplazando la temperatura de equilibrio hacia valores mas altos. El CO2 tiene el poder de reducir la emisión de las radiaciones terrestres sin bloquear las solares. En esto consiste el calentamiento global.

Ahora bien, la superficie habitable de nuestro planeta, contando desde lo más profundo de los mares hasta las montañas mas altas, es sólo una ínfima parte de su diámetro -piense el lector en la fina cáscara de una manzana-.  De ahí que los cambios en la superficie, de vital importancia para nosotros, son casi imperceptibles para el planeta como un todo.

Así, la Tierra se está enfriando desde hace cientos de miles de años, y lo seguirá haciendo en el futuro.  Y es precisamente ese enfriamiento el que proporciona la fuerza motriz de volcanes y terremotos. A medida que nos alejamos del centro del planeta la temperatura disminuye, y por esta razón en la cima de las montañas la temperatura es menor que en la base, a pesar de que las cimas están “mas cerca del sol”.

Teorías mas recientes

Las teorías modernas acerca de la formación del sistema solar consideran que nuestro planeta se formó hace unos 5 mil millones de años a partir de los choques a alta velocidad de meteoritos y cometas que fueron aglomerándose en un sólo cuerpo celeste.  Estos choques liberaron una gran cantidad de energía, suficiente para calentar todo el planeta, e incluso fundirlo y llevarlo a fase líquida. El proceso de enfriamiento y solidificación subsiste hasta el presente. 

Durante la formación de la Tierra, las sustancias más densas como el hierro se hundieron hacia el centro del planeta, mientras que los compuestos más ligeros como los silicatos y otros compuestos de oxígeno, incluyendo el agua, quedaron cerca de la superficie.  Hoy día se conoce que la tierra está dividida en tres capas principales que difieren por su constitución química: la corteza, que alcanza una profundidad de 30 kilómetros; el manto, que se extiende desde la litosfera hasta una profundidad de unos 2900 km y el núcleo, de unos 2225 km de radio (figura 1)

La corteza, mucho más delgada que cualquiera de las otras capas, está formada por minerales poco densos de calcio, sodio y silicatos de alúmina.  Más fría y frágil que las capas inferiores, se fractura fácilmente para dar lugar a los terremotos. La corteza incluye las partes oceánica y continental, con características diferentes. 

Es un hecho ampliamente comprobado que a medida que descendemos en una excavación la temperatura aumenta, independientemente de la latitud geográfica donde se lleve a cabo el descenso.  Si cerca de la superficie se pueden encontrar algunas diferencias entre un lugar frío y otro templado, a la distancia de 2.5 km bajo la superficie terrestre se encuentra invariablemente una temperatura de 100 oC en cualquier sitio geográfico, lo que representa un incremento promedio de 30 oC por km de profundidad. Suponiendo que el ritmo de incremento se mantenga aproximadamente igual a mayor profundidad, a 50 km por debajo de la superficie se debe alcanzar la temperatura de las rocas fundidas (entre 1200 y 1800 ºC).  (Note que 50 km representan solamente ¡la mitad de la distancia entre la Habana y Varadero!).  Si por el contrario nos alejamos de la superficie, la temperatura disminuye, aunque más lentamente (5.5 oC por kilómetro de altura).  En los trópicos la temperatura media es de alrededor de 25 oC, pero a 10 kilómetros de altura (la altitud de los vuelos interoceánicos) la temperatura puede disminuir hasta – 30 oC o más.

El manto está formado principalmente de hierro, magnesio, aluminio, silicio y compuestos de oxígeno en forma de silicatos pero, a pesar de ser esencialmente sólido, puede deformarse y fluir plásticamente de la misma forma que la pasta de dientes cuando apretamos el tubo con fuerza suficiente.  Se divide en manto superior o manto rígido y el manto inferior o manto plástico.  La corteza y el manto superior forman la litosfera, mientras que la zona de transición entre el manto superior y el inferior se denomina astenosfera (figura 2).   La astenosfera representa un papel importante en la teoría tectónica de placas, que explica satisfactoriamente la deriva de los continentes y la existencia de las diferentes zonas sísmicas en nuestro planeta.  Las corrientes de convección dentro del manto trasladan la mayor parte de su energía térmica desde la profundidad de la Tierra a la superficie y constituyen la fuerza motriz de la deriva de los continentes.  Este flujo de convección es quien proporciona rocas calientes y fundidas al sistema mundial de cadenas montañosas y suministra la lava que sale de los volcanes.

El núcleo también se subdivide en dos partes; una externa, compuesta fundamentalmente de hierro fundido con un pequeño porcentaje de azufre y otra más interna, que se encuentra a  temperatura aún mayor  (hasta 6650 oC) pero que, a causa de la alta presión que ejercen las capas superiores, se encuentra en estado sólido. 

¿Cómo se sabe todo esto?

¿Y de dónde se obtiene toda esta información? ¿Cómo se sabe, por ejemplo, que una parte del núcleo de la Tierra es líquida y otra es sólida? No sólo con excavaciones en la tierra y en el mar, o analizando los lechos de rocas y plegamientos.  Si en un flujo estable de calor se conoce la diferencia de temperaturas entre dos puntos intermedios, es posible determinar con muy buena aproximación la temperatura de las fuentes, aún cuando estén muy alejadas. En cuanto al núcleo terrestre, las primeras indicaciones sobre sus características se obtuvieron a partir del registro de las ondas sísmicas que acompañan a los terremotos.  Las ondas sísmicas son esencialmente ondas que se radian cuando el sismo tiene lugar.  Hasta un 10% de la energía generada se puede disipar en forma de ondas, que se propagan en todas direcciones a través del planeta, y no sólo en su superficie.  Existen dos tipos esenciales de ondas sísmicas.  Las ondas primarias o de tipo P (pressure) son ondas longitudinales de compresión y extensión; su velocidad de propagación varía entre 1.5 y 8 km por segundo en la corteza terrestre.  Las ondas secundarias o de tipo S (shear) son ondas transversales o de cizallamiento, que siempre viajan a una velocidad del 60-70% relativa a la de la onda P.  Las ondas P hacen oscilar el terreno en la misma dirección en que se van propagando. Las ondas S lo mueven en dirección perpendicular a la dirección de propagación (figura 3). La diferencia de velocidad e intensidad entre los dos tipos de ondas permite a los sismólogos determinar rápidamente la distancia hasta el sismo desde cualquier estación de observación, determinando el intervalo de tiempo en que tardan en llegar hasta la estación ambos tipos de ondas.  Las ondas se registran automáticamente mediante un instrumento denominado sismógrafo.

Las ondas sísmicas se desvían y se reflejan parcialmente al llegar a una frontera o interfase, de la misma forma que, por ej. , la luz se refracta al pasar del aire al agua.  Por otra parte, las ondas P son capaces de viajar tanto en líquidos como en sólidos, pero las ondas S no pueden propagarse en fluidos tales como el aire o el agua.  Detectando las ondas provenientes de un sismo determinado mediante sismógrafos colocados en diferentes lugares del globo, fue posible comprobar que existía un cono de sombra de 105 grados en el cual las ondas S desaparecían y las ondas P resultaban desviadas de su trayectoria.  Se llegó así a la conclusión de que en el centro de la tierra existía un núcleo líquido que impide la propagación de las ondas S y cuya frontera desvía las ondas P.   Conocido el radio de la tierra, el estimado del tamaño del núcleo se obtiene fácilmente por consideraciones geométricas.

Información adicional sobre el núcleo se obtiene al considerar la existencia del campo magnético terrestre.  Para que exista magnetismo el núcleo de la tierra tendría que estar formado por algún sólido magnético o, en su defecto, tendrían que estar presentes corrientes eléctricas continuas para producir un campo magnético, similar al que aparece en una bobina con corriente.  Sin embargo, los materiales magnéticos pierden sus propiedades magnéticas a alta temperatura (el hierro por encima de los 540 °C) y la temperatura en el centro de la Tierra es del orden de los 6650 °C.  De aquí que las teorías sobre el origen del magnetismo de la tierra también consideren que el núcleo de hierro es líquido (excepto en el mismo centro de la Tierra, donde la presión es tan extremadamente alta que solidifica el núcleo) y que las corrientes de convección dentro del núcleo líquido son las que generan el campo magnético terrestre. El movimiento de deriva hacia el Oeste que se observa en los polos magnéticos se explicaría satisfactoriamente considerando que núcleo sólido gira más despacio que el núcleo líquido exterior.

¿Se puede aprovechar ésta energía?

¿Es posible utilizar la inmensa energía acumulada bajo nuestras plantas? Pues sí, se puede utilizar y de hecho ya se utiliza, aunque en escala muy reducida.  La geotermia es la ciencia relacionada con el calor interior de la Tierra;   su principal aplicación práctica es la localización de yacimientos naturales de agua caliente para ser utilizada en la generación de energía eléctrica, en calefacción o en procesos de secado industrial. La energía geotérmica natural se utilizó para generar energía eléctrica por primera vez en Toscana (Italia) en 1904, y aún continua.  Los fluidos geotérmicos provenientes de géiseres y fuentes termales se usan como calefacción en Budapest (Hungría), en algunas zonas de París, en la ciudad de Reikiavik, en otras ciudades islandesas y en varias zonas de Estados Unidos.  Las perforaciones modernas alcanzan reservas de agua caliente y vapor que se encuentran hasta 3000 m bajo el nivel del mar.  El vapor se purifica en la boca del pozo y es transportado en grandes tubos aislados térmicamente hasta las turbinas que generan la energía eléctrica.  Las nuevas técnicas para el aprovechamiento de esta energía contemplan la perforación en regiones secas y calientes, cerca de sistemas volcánicos en reposo, con el fin de inyectar agua superficial que regresará como vapor a presión capaz de mover una turbina.  En 1990, la capacidad geotérmica total en 18 países, no incluyendo a los EE.UU., era de 5800 megawatt.

Figura 1.  (No está a escala)

Figura 2

Figura 3

Figura 4