Ciencias para el estudio de la Tierra

Conocer el planeta en el que se desarrolla la vida humana ha sido siempre uno de los objetivos de la ciencia a lo largo de la historia. Son muchas las exploraciones e investigaciones desarrolladas acerca de la superficie terrestre para comprender mejor su origen y sus características.

En el curso de la historia se han desarrollado diversas ciencias para facilitar la comprensión de cuanto sucede en la Tierra. De la geografía a la meteorología, pasando por la oceanografía, la geología, la topografía, la cartografía o la astronomía, todas ellas persiguen componer un cuadro común sobre el conocimiento científico del planeta y su entorno.

Cada una de estas disciplinas se vale de técnicas y metodologías propias para analizar los fenómenos específicos que le competen y prever acontecimientos futuros. Un caso paradigmático es el de la información meteorológica, que permite conocer qué temperaturas o sucesos climáticos se darán en los próximos días, semanas o meses.

En las últimas décadas han cobrado gran relevancia los estudios realizados desde el espacio. La tecnología aeroespacial ha permitido entender muchos de los fenómenos que tienen lugar en la Tierra a través de los datos meteorológicos, geográficos y de otra índole enviados regularmente por los satélites artificiales. Al término de su vida útil, algunas de esas naves siguen orbitando sin rumbo controlado alrededor del planeta, lo que ha ocasionado una nueva preocupación por este tipo de residuos conocidos genéricamente como «basura espacial».

La Tierra y su estudio científico

El lugar de supervivencia de la especie humana es la Tierra, la cual, debido a las bellas imágenes tomadas desde el espacio de una esfera azul con manchas blancas y tierra parda, se ha dado en llamar el «planeta azul».

La Tierra es el tercero de los planetas del Sistema Solar y reúne una serie de características que permiten que en su superficie se desarrolle la vida. Es de naturaleza rocosa y está compuesta por tres capas principales: corteza, manto y núcleo. Su distancia al Sol es la adecuada para el desarrollo biológico: si estuviera más cerca, las temperaturas serían demasiado altas para albergar la vida; más lejos, el planeta no recibiría el calor suficiente para sostenerla.

Además, la presencia de la atmósfera suaviza las temperaturas y protege la superficie terrestre de las frecuencias nocivas de la radiación solar. No obstante, el factor más importante es la existencia en la Tierra de agua líquida, un elemento esencial que actuó como germen de la primera vida. Del total de la superficie terrestre, más de siete décimas partes están cubiertas de agua.

La presencia de amplias extensiones de agua líquida resultó fundamental en el origen de la vida.

Un factor adicional que influye en la dinámica terrestre es la cercanía de su único satélite natural, la Luna. Ésta influye en las mareas y los ciclos terrestres y, desde los inicios de la astronáutica, sirve de fuente de información para la ciencia a través de la recogida de muestras de rocas y otros materiales y como atalaya de observación privilegiada. No en vano, el estudio de otros cuerpos celestes y de la propia Tierra vista desde el exterior es hoy un elemento más, y de gran relevancia, para el conocimiento profundo de los secretos que el planeta guarda en su interior.

Objetivos, métodos y técnicas de estudio

El estudio sistemático de las propiedades y composición de la Tierra es objeto de numerosas disciplinas científicas interrelacionadas. Cada una de ellas está especializada en un área de conocimiento y, por tanto, sus objetivos de estudio, así como los métodos y técnicas utilizados, varían según sus propias necesidades. En conjunto, estas disciplinas persiguen comprender los fenómenos que tienen lugar en el planeta, ya sea centrándose en sus aspectos físicos y químicos para comprender su estructura o en sus características externas y su evolución a lo largo de los eones.

Los estudios que se realizan en torno a la Tierra son muy complejos y comprenden desde las hipótesis sobre la estructura y composición de su núcleo hasta la investigación de la atmósfera gaseosa que la envuelve. Ello ha llevado a desarrollar diferentes áreas de especialización dedicadas a cada objeto de análisis.

Así, el conjunto de ciencias de la Tierra tiene como finalidad describir y comprender el planeta en el que se desarrolla la vida humana. Estos conocimientos, acumulados a lo largo de la historia en especialidades como la geografía, la oceanografía, la geología, la meteorología, la topografía o la cartografía, permiten definir un marco para entender los fenómenos naturales.

No se trata únicamente de reunir un cuerpo de conocimientos teóricos con los que satisfacer la curiosidad del hombre sobre el entorno en el que vive. Las ciencias de la Tierra tienen un componente eminentemente práctico, dado que sus conclusiones y datos concretos son válidos para buscar el bienestar de la humanidad, mejorar el medio físico en el que vive y garantizar un aporte suficiente de los recursos naturales.

Disciplinas y especialidades

El análisis y comprensión de la Tierra, su estructura, sus materiales y su dinámica de evolución son objeto de un estudio científico creciente en complejidad. En tiempos recientes, este estudio se ha materializado en un compendio de disciplinas interconectadas que exhiben cada vez un mayor grado de especialización. La geografía es una de las más antiguas, aunque a ella se añaden otras de cuño más reciente como la geología, la oceanografía o la meteorología. La tabla 1 establece una clasificación de las disciplinas más relevantes que se ocupan del estudio científico de la Tierra.

Buena parte de estas disciplinas tienen su origen como especialidad científica en el siglo xix. Esta centuria se distinguió por un extraordinario avance del conocimiento físico del planeta y de su diversidad humana, en buena medida como fruto del periodo de los grandes descubrimientos de la navegación y la exploración geográfica.

Actualmente, muchas de estas ciencias han alcanzado una indudable mayoría de edad. Sus cultivadores tienen a su disposición numerosas técnicas y metodologías de estudio y observación, que emplean desde los procedimientos más rudimentarios de «catas» de terreno y trabajo de campo a imágenes fotográficas y en movimiento tomadas desde satélites o recreadas por potentes sistemas informáticos.

Otras especialidades versan sobre determinadas áreas de conocimiento de la Tierra. Por ejemplo, la hidrología se dedica al estudio del agua en su estado líquido y la glaciología estudia las acumulaciones de nieve y hielo en la superficie terrestre. Afín a la meteorología, que investiga la atmósfera y sus fenómenos, la climatología se ocupa de los distintos climas del planeta.

Tabla 1. Principales disciplinas especializadas en el estudio científico de la Tierra.

En el estudio de las rocas se distinguen disciplinas como la mineralogía, que cataloga los minerales; la geoquímica, centrada en la composición química de las rocas, y la geofísica, que trata de las características físicas de las rocas terrestres. Finalmente, astronomía, biología y antropología son disciplinas complementarias que ahondan en la comprensión de la Tierra en su relación con el cosmos, los seres vivos que la pueblan y la especie humana analizada desde un enfoque cultural amplio.

Geografía

Una de las disciplinas más antiguas del estudio de la Tierra, la geografía ha tratado, a lo largo del tiempo, del análisis y comprensión de distintos aspectos interconectados de la naturaleza. Hoy día se define como la especialidad científica que estudia la superficie terrestre y los fenómenos que tienen lugar en ella.

En la antigüedad se consideró a la geografía la «madre de todas las ciencias», y su ámbito se centró en el estudio del Universo. Ya en el Renacimiento, confinó su campo de observación al planeta Tierra. La ciencia geográfica, tal como se entiende en la actualidad, tiene apenas dos siglos de vida y concierne sólo al estudio de una parte de la Tierra: la superficie terrestre.

Fotografía de una mina de cobre. La mineralogía es la rama de las ciencias de la Tierra que se ocupa del estudio de los minerales.

Las investigaciones geográficas realizan estudios sobre los aspectos físicos propios del planeta (relieve, vegetación) y humanos (en cuanto a datos económicos, demográficos o políticos, entre otros). De esta forma, pretenden explicar desde un enfoque global el complejo entorno espacial terrestre en todas sus facetas, para comprender las relaciones que se dan entre las personas y el espacio en el que viven.

El instrumento fundamental para el estudio de los fenómenos que se producen en el espacio geográfico es el mapa. La geografía recurre además a técnicas diversas como estadísticas, gráficos, censos demográficos, informes científicos o trabajos de campo. Con el desarrollo de la informática y las tecnologías multimedia han aparecido nuevas herramientas avanzadas, como la teledetección y los Sistemas de Información Geográfica (sig).

Ya estudiada desde la antigüedad, la ciencia geográfica experimentó un fuerte impulso en el Renacimiento, sobre todo a partir del descubrimiento del Nuevo Mundo por los navegantes europeos. De esta época y de centurias posteriores datan algunos relevantes mapas históricos, como el del río de la Plata levantado por Alonso de Santa Cruz en el siglo XVIII.

Se denomina teledetección al grupo de técnicas que se usan para recabar datos sobre la superficie de la Tierra. Esta información se obtiene mediante cámaras o dispositivos especiales (sensores remotos) ubicados en aviones y satélites espaciales. Estos sistemas captan la energía electromagnética, que, posteriormente, se procesa y analiza. La información se registra en forma de datos numéricos destinados a convertirse en imágenes simuladas y representativas tratadas por computadora.

Por su parte, los sig son sistemas que ponen en relación la información de una base de datos temática (población, vegetación, etc.) con la de otra base de datos espacial (localización geográfica de los datos temáticos). Las muestras de este tipo pueden usarse, por ejemplo, para hacer un inventario y para facilitar la gestión de los recursos naturales o planificar redes de transporte. Computadoras de alta potencia almacenan estos datos geográficos y son capaces de recrear a partir de ellos y de imágenes de satélite mapas geográficos de extraordinaria precisión.

Oceanografía

Se conoce como oceanografía a la ciencia cuyo objeto de estudio son los océanos, sus aguas y los animales y materiales (rocas, sedimentos) que albergan en su seno. Las investigaciones oceanográficas se remontan, en un sentido amplio, a los tiempos antiguos. El griego Piteas, del siglo iv a.C., ha sido considerado el primer explorador oceánico, al recorrer el tramo comprendido entre el mar Mediterráneo y la costa atlántica europea.

En el siglo xv, españoles y portugueses dieron el gran paso en la exploración de los mares, que alcanzó en la centuria siguiente un punto culminante con la primera circunnavegación del globo (vuelta al mundo a cargo de una expedición española capitaneada por Fernando de Magallanes y Juan Sebastián Elcano). Desde 1845 fueron posibles las exploraciones de gran profundidad mediante sondas especiales y, años después, se fundaron los primeros observatorios oceanográficos.

Fondo marino. La ciencia de la Tierra que estudia los elementos que conforman los mares y los océanos se denomina oceanografía.

La profundidad del agua es un factor determinante en la elección de los métodos de exploración del fondo oceánico. En sus comienzos, los investigadores se limitaron a recorrer los fondos marinos cerca de las costas. Hoy es posible realizar mediciones y tomar muestras desde plataformas móviles, situadas muy lejos de la tierra. Por ejemplo, para obtener muestras sólidas se utilizan aparatos como rastras, sondas o pinzas mecánicas.

Actualmente es posible la observación directa del fondo marino en profundidades superiores a 100 metros merced al uso de escafandras autónomas. Además, las técnicas de compresión y descompresión gradual y las mezclas especiales de gases para la respiración permiten bucear a mayor profundidad y mantenerse más tiempo bajo el agua. Submarinos y batiscafos de investigación se encuentran entre los aparatos que permiten descender a más de 600 metros de profundidad (algunos incluso llegan a los 4.000).

Los buzos obtienen un material fotográfico abundante destinado a un análisis científico ulterior y, cuando la distancia es muy profunda, recurren a cámaras de control remoto con fuentes de luz propias. Para la medición de profundidades, al principio se empleó una sonda compuesta por un hilo de acero, luego cables lastrados de plomo y, finalmente, la técnica acústica, que se usa en la actualidad y que permite medir la profundidad por técnicas de eco.

Otro de los elementos que analizan las ciencias oceanográficas es el agua, tanto en sus propiedades como en su composición. Para ello se hacen muestreos mediante flotadores de inversión (cables y botellas selladas por dispositivos mecánicos o acústicos) y se obtiene información sobre la temperatura, el contenido en oxígeno, la densidad y la salinidad.

Los buzos tienen la capacidad de desplazarse por el interior de las aguas oceánicas. Para ello han de contar con una equipación característica, compuesta, entre otros elementos, por máscaras, trajes de buceo, botellas de aire comprimido y linternas.

Para reunir datos sobre la dinámica de las mareas, la velocidad y dirección del agua o el oleaje es necesario recurrir a instrumentos como registradores de ondas situados en boyas y correntómetros que miden la velocidad y la dirección de las corrientes. Por último, los instrumentos empleados preferentemente para medir la temperatura del agua son los termómetros de inmersión, útiles especiales provistos de un hilo de mercurio que se rompe a la profundidad indicada y ofrece los datos en la superficie.

Geología

La ciencia que se encarga del estudio de la Tierra, sus materiales, los procesos mediante los que se han formado y el origen del planeta y de sus formas de vida es la geología. En un planeta de las dimensiones y la complejidad terrestres, la mayor parte de los elementos analizados no se puede observar de forma directa. Además, la dinámica de los procesos geológicos es muy lenta en comparación con el ritmo vital del hombre, lo que complica aún más su comprensión.

La geología es una ciencia de gran complejidad y está muy relacionada con otras ciencias como la física, la biología o la química. Sus especialistas combinan los estudios teóricos con el trabajo de campo, en el que emplean utensilios muy variados, como brújulas, mapas, bolsas de muestras, martillos y fotografías aéreas.

Del estudio de los materiales que componen la Tierra, así como de los procesos que han marcado su evolución, se ocupa la geología. Los cortes estratigráficos de las montañas, como el de la ladera volcánica de la imagen, aportan importantes datos geológicos.

Dadas las dimensiones y magnitudes de los materiales y fenómenos geológicos, las investigaciones a distancias que permiten una visión muy global del fenómeno resultan de gran utilidad. Es muy común utilizar fotografías aéreas para estudios tan diferentes como la búsqueda de recursos minerales o la ordenación del territorio.

La fotografía aérea permite adquirir imágenes muy precisas de la superficie terrestre desde el aire, ya sea desde aviones o desde satélites. A partir de ellas se confeccionan mapas que representan los rasgos geológicos de una región, con la distribución de los materiales en la superficie o la naturaleza de la zona. La edad de dichos materiales se suele reflejar con códigos de colores que indican cada periodo histórico terrestre.

Meteorología

Se llama meteorología a la ciencia que estudia la atmósfera y los fenómenos que tienen lugar en su seno. Uno de sus objetivos es la información sobre el tiempo, que implica labores de gran complejidad. Requiere la rápida observación, medición, recopilación e interpretación de infinidad de datos de un entorno que, como la atmósfera, se caracteriza por el cambio continuo.

La información meteorológica se basa hoy en los datos recogidos por una nutrida red de satélites científicos especializados. Éstos vienen a sumarse a una larga tradición de instrumentos de medición conocidos desde hace siglos, como el pluviómetro y la veleta. También son tradicionales, aunque de invención más reciente, el termómetro, el anemómetro y el barómetro.

Gracias a los satélites se obtienen algunas de las imágenes meteorológicas más impactantes, como la del presente tifón que se abate sobre el mar Caribe, en las proximidades de Florida y Cuba.

Para reflejar el tiempo que se dará en un territorio determinado se utilizan los mapas del tiempo, una representación simplificada de la circulación atmosférica. Ante la variabilidad constante de las condiciones meteorológicas, el mapa del tiempo también se va modificando para actualizarlo de modo permanente.

Los institutos nacionales de meteorología son los encargados de elaborar estos mapas mediante la información que reciben de las estaciones y las imágenes de los satélites meteorológicos. Existen diferentes tipos de mapas del tiempo. Los de superficie y pictográficos y los climogramas son los más utilizados.

En los mapas de superficie se refleja la información meteorológica referida al nivel del mar. Esos datos se detallan con isobaras, que son líneas que unen puntos con igual presión atmosférica; anticiclones, señalados con una A y que reflejan tiempo estable y seco, y borrascas, indicadas con una B y que provocan tiempo inestable y lluvioso.

Los mapas pictográficos se denominan también significativos, ya que utilizan símbolos convencionales. Su utilidad reside en que emplean dibujos sencillos para representar ideogramas. Así, se colocan en las zonas correspondientes dibujos de soles para mostrar buen tiempo, rayos para indicar tormenta o nubes o paraguas para señalar lluvia.

Finalmente, los climogramas son gráficos representativos de las temperaturas medias y las precipitaciones que se han producido en un determinado lugar durante los doce meses del año. Las temperaturas se indican mediante una línea y las precipitaciones, con barras, en un sistema de coordenadas con dos ejes verticales. En la base aparecen los meses del año sobre los que se van situando los valores.

Topografía y cartografía

El objeto de la topografía es configurar las formas naturales y artificiales que existen en la superficie terrestre, reproduciéndolas con detalle a través de gráficos, planos, mapas o modelos tridimensionales a diferentes escalas. Por tanto, esta ciencia persigue determinar la forma y dimensiones de un terreno y su posterior representación con los accidentes naturales y artificiales relevantes, así como la posición relativa entre ellos.

Los mapas se utilizan para mostrar gráficamente las múltiples características que puede presentar un territorio. En la imagen, mapa del área andina, en la zona comprendida entre el Ecuador y el Perú.

En tiempos recientes, la topografía ha mejorado sensiblemente en exactitud y precisión. El invento del estereocomparador en 1901 aplicó el principio de la visión en relieve para realizar medidas estereoscópicas en fotografías, aunque obligaba a la prolija tarea de calcular matemáticamente las coordenadas punto por punto. A partir de 1960 se puso en práctica la medición electrónica de distancias y, en la década de 1970, los satélites artificiales comenzaron a utilizarse masivamente en las tareas topográficas.

Para situar un punto en el terreno se miden los ángulos y distancias mediante aparatos como goniómetros –para la medida de ángulos– y taquímetros –para las distancias– Los datos obtenidos se representan en mapas y planos. Un mapa es la representación plana de una parte de la superficie terrestre, mientras que el plano es una representación gráfica que refleja una pequeña extensión de la superficie, por lo que no tiene en cuenta la curvatura de la Tierra.

Las representaciones tienen dimensiones menores que las realidades a las que representan, por lo que se establece una relación de semejanza entre las magnitudes de medida del gráfico y las del terreno. Esta relación se denomina escala y puede tener diferentes valores, si bien lo más frecuente es usar la unidad como numerador y, en el denominador, números sencillos seguidos de ceros. Así, por ejemplo, una escala 1:50.000 indica que cada centímetro en el mapa se corresponde con 50.000 en el terreno real.

El mapa topográfico representa el relieve de un territorio y ofrece información sobre poblaciones, ríos, vegetación, etc. En estos mapas aparecen datos muy variados y detallados, por lo que para su correcta interpretación hay que recurrir a las leyendas, textos esquemáticos que acompañan al mapa donde se recogen los símbolos y los colores que aparecen en éste con su correspondiente significado. Los mapas topográficos son las representaciones más minuciosas de la superficie terrestre, pues reflejan los accidentes del terreno con todos sus detalles.

Por su parte, se llama cartografía a la ciencia que elabora planos y mapas. La forma más exacta de representar la Tierra es el globo terráqueo. No obstante, éste presenta algunos inconvenientes, ya que al ser una esfera no se puede contemplar el planeta en su totalidad. Además, no es capaz de reproducirlo con detalle y resulta difícil de manejar y transportar.

Las leyendas son textos concisos que explican el significado de los símbolos y los colores empleados en los mapas. Abarcan los conceptos más diversos, dos de los cuales se ejemplifican en los mapas de la ilustración: las áreas sísmicas de la Tierra y las diferentes capas de profundidad del océano Pacífico en las melanésicas islas Fiji.

Las leyendas son textos concisos que explican el significado de los símbolos y los colores empleados en los mapas. Abarcan los conceptos más diversos, dos de los cuales se ejemplifican en los mapas de la ilustración: las áreas sísmicas de la Tierra y las diferentes capas de profundidad del océano Pacífico en las melanésicas islas Fiji.

Como respuesta, habitualmente se utilizan los mapas, que son representaciones planas de la Tierra. Las personas especializadas en la elaboración de mapas reciben el nombre de cartógrafos. Por otra parte, las agrupaciones o colecciones de mapas se conocen como atlas.

Dado que un mapa no se hace en las mismas dimensiones que la realidad que ilustra, en su confección se aplican escalas, definidas por la proporción que existe entre la dimensión real y la que se representa en el mapa. Como ya se ha señalado, a través de la escala de cada mapa se indica el número de veces que se ha reducido de tamaño el territorio real. La escala se puede expresar en forma numérica o gráfica; en ambos casos se señala el valor representativo de cada unidad de longitud del mapa (preferentemente, centímetros).

En general, existen dos grandes grupos de mapas: topográficos y temáticos. Los primeros ofrecen la máxima información sobre el medio físico (ríos, vegetación, relieve, etc.), junto a las localidades o vías de comunicación. Este grupo conforma la cartografía esencial a partir de la cual se elaboran los demás mapas. A su vez, los mapas temáticos aportan información sobre un tema específico, bien sea físico (relieve, ríos), humano (población, industria) o político (países, capitales).

Los mapas de puntos representan la distribución en el espacio de un fenómeno que se da en todas las zonas del territorio comprendido en el mapa. Por ejemplo, en un mapa regional o nacional pueden incluirse, resaltadas por puntos, las zonas en las que hay ganadería. Los mapas de flujos, también llamados dinámicos, reflejan aspectos que indican movimientos como exportaciones, rutas de migraciones, corrientes marinas, etc. Las líneas con flechas indican el tipo y la dirección del movimiento y pueden tener distinto grosor según los datos o la importancia que se les quiera dar.

Los mapas coropléticos e isopléticos son de carácter temático. Los primeros ofrecen información cuantitativa y representan la distribución en el espacio de un fenómeno a través de gamas de color. Se usan, por ejemplo, para ilustrar la división administrativa de un territorio, el porcentaje de desempleados, etc. En los isopléticos se reflejan los datos distribuidos en el espacio mediante gamas de color, a través de isolíneas. Esta fórmula gráfica se basa en pintar de diferente color los espacios entre las líneas marcadas, con colores más oscuros cuanto más alto es el valor representado.

Los mapas de símbolos proporcionales sirven para reproducir datos cuantitativos demográficos y económicos. Comúnmente representan cantidades totales asociadas a un territorio. Los cartogramas son esquemas de una superficie cuyo tamaño y forma real varían con arreglo al valor estadístico reflejado. Su objetivo es mostrar de forma llamativa una determinada distribución temática sobre diversas superficies.

Finalmente, los mapas de corte topográfico se emplean para representar el relieve en un perfil longitudinal. Consisten en el dibujo de la silueta que se originaría si se obtuviera una sección transversal de la superficie terrestre. Aparecen con datos ilustrados por curvas de nivel (altitudes en el eje vertical y distancias en el horizontal), con la escala correspondiente.