Electrónica, Electricidad y Telecomunicaciones: La Energía Geotermica a partir de la estructura interna del Planeta

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domingo, 25 de mayo de 2014

La Energía Geotermica a partir de la estructura interna del Planeta – 1ra Parte

En su sentido más amplio y literal, la energía geotérmica se origina en el calor interno de la Tierra. Es un hecho conocido que en el subsuelo, bajo la tierra que pisamos, la temperatura aumenta con la profundidad, es decir, existe un gradiente geotérmico y por lo tanto un flujo de calor desde el interior de la Tierra hacia el exterior. Ello es consecuencia de su estructura interna. El gradiente geotérmico medio es de 25ºC a 30ºC por kilómetro de profundidad y el flujo calórico promedio es de 87mW/m2 (ochenta y siete milivatios por metro cuadrado). En determinados puntos de la Tierra el gradiente geotérmico es, sin embargo, anormalmente elevado, llegando a alcanzar valores de hasta diez y veinte veces el del gradiente medio. Estas áreas con gradiente elevado coinciden siempre con zonas de existencia de fenómenos geológicos singulares, como son una actividad sísmica elevada, la formación de cordilleras en épocas geológicas recientes y una actividad volcánica actual o muy reciente. Estos fenómenos geológicos representan distintas formas de liberación de la energía interna de la Tierra, cuya explicación puede darse por medio de la tectónica de placas.

Estructura interna de la Tierra

Nuestro planeta está formado por una corteza que tiene un espesor de aproximadamente 20-65 km en áreas continentales y 5-6 km en áreas oceánicas; el manto, de un espesor de unos 2.900 kilometros y el núcleo, que tiene entre el 32% y el 35% de la masa del planeta, compuesto por el núcleo externo (líquido), que tiene un radio exterior de alrededor de 3.470 kilometros y el núcleo interno (sólido) con un radio de 1.200Km. Ver (Fig. 1).

Fig.1- Estructura interna de la Tierra

El núcleo interno de la Tierra es una esfera sólida, probablemente compuesta de isótopos Hierro-56 hasta en un 80%, Niquel-58 y otros elementos como plomo, uranio, oro, platino, entre otros en mucho menor cantidad. Se estima que tiene una densidad entre 12,8 y 13,1 Tm/m3. Aunque estos elementos son relativamente estables, emitirán radiaciones alfa y radiación beta de alta energía buscando estabilidad lo que provoca una fisión y por tanto radioactividad.

La presión en el núcleo interno de la Tierra está entre 3,3 y 3,6 millones de atmósferas, lo que podría explicar en parte sus altas temperatura entre 4.300 ºC hasta a 7.200 ºC en el núcleo sólido, que permanece en este estado sólo porque su punto de fusión aumenta dramáticamente a estas presiones.

En la parte inferior del manto, donde hace contacto con el núcleo externo líquido (a 2.900 km de la superficie), existe una temperatura entre 3.200 ºC y 5.300 ºC. El núcleo externo líquido es una capa de alrededor de 2.300 kilómetros de espesor, que rodea al núcleo interno y se cree que está compuesto de hierro mezclado con níquel llamado NiFe (el hierro se funde a 1.538 ºC).

El manto tiene una temperatura de 800-1000 ºC en su superficie exterior que contacta con la corteza.

La corteza tiene una temperatura entre 800 y 1000 ºC en el contacto con el manto y 15-20 ºC en promedio en la superficie que conocemos.

Además de la división en capas mencionada anteriormente, existe otra manera de subdividir el interior de la Tierra, considerando el comportamiento físico de las rocas: Litósfera, Astenósfera, Núcleo Externo y Núcleo Interno; siendo los dos últimos los mismos que los mencionados anteriormente. (Fig.1)

La capa exterior de la Tierra, llamada litósfera, está formada por la corteza y la parte superior del manto. La litosfera, que tiene un espesor que va desde menos de 80 km en las zonas oceánicas a más de 200 kilómetros en la parte continental, se comporta como un cuerpo rígido. La litosfera responde rígidamente ante empujes laterales (horizontales), pero se arquea si el esfuerzo es vertical.

Debajo de la litosfera se encuentra la astenósfera, de 200 a 300 Km de espesor, formada por la parte alta del manto, que, en comparación con la anterior, es menos rígida o más plástica. En otras palabras, en una escala geológica, donde el tiempo se mide en millones de años, en ciertos fenómenos de la Tierra se comporta de una manera similar a la de un fluido viscoso.

Los efectos del calor geotérmico

Debido a la diferencia de temperatura entre las distintas partes de la astenósfera, se produjeron movimientos de convección algunas decenas de millones de años atrás. Su movimiento extremadamente lento (unos pocos centímetros por año) se mantiene actualmente por el calor producido por la continuación de la desintegración de los isótopos radioactivos y por el calor almacenado en las partes más profundas del Planeta. Enormes volúmenes de rocas profundas, en estado fundido y semi fundido, más calientes, menos densas y más livianas que el material circundante, suben hacia la superficie, mientras que las rocas más cercanas a la superficie, más frías, más densas y más pesadas, tiende a descender, recalentándose y subiendo a la superficie. Al hacerlo se enfrían y vuelven a bajar, se calientan y vuelven a subir, todo el tiempo.

En aquellas zonas donde la litósfera es más delgada y especialmente en las areas oceánicas, la litósfera es empujada hacia arriba y quebrada por el material parcialmente fundido (comunmente llamado magna*), muy caliente, que asciende desde la astenósfera. Mediante este mecanismo se originaron y se siguen originando, las llamadas dorsales oceánicas (también llamadas meso-oceánicas, donde meso significa en medio). Las dorsales oceánicas son grandes elevaciones submarinas (cadenas montañosas formadas por magna enfriada y solidificada) situadas en la parte central (entre los continentes) del fondo de los océanos de la Tierra. Tienen una altura media de 2.000 a 3.000 metros y poseen un surco central, llamado rift, por donde sale magma continuamente desde la astenosfera, a través de las fisuras del fondo del océano. (Fig.3)

* Cuando la magna sale a la superficie se la llama lava. Ej. : lava de un volcán en erupción.

Fig. 3 – Dorsal oceánica en formación.

Diccionario de la imagen: mafic= "magnesium" + "ferric"; oceanic crust=corteza oceánica

Las dorsales oceánicas se extienden por más de 60.000Km por el fondo de los océanos, emergiendo en algunos lugares, como en las Azores, o Islandia, o desplegándose entre continentes (Africa y Asia) como en el Mar Rojo. Una fracción relativamente pequeña de rocas fundidas, que asciende desde la astenósfera, emerge en la cumbre de estas dorsales y en contacto con el agua de mar se solidifica, formando nueva corteza osceánica. La mayor parte del material que asciende desde la astenósfera, se divide en dos ramas que fluyen hacia ambos lados de la dorsal y en sentidos opuestos debajo de la litósfera. La continua generación de nueva corteza y el empuje en sentidos opuestos de estas dos ramas, provoca que cada lado de la dorsal se separe a una velocidad de pocos centímetros por año. En consecuencia la litósfera osceánica tiende a incrementarse. La Fig.4 muestra las dorsales oceánicas en el fondo de los océanos del mundo.

Fig.4 – Las dorsales oceánicas en el fondo de los océanos del mundo

Las dorsales están cortadas perpendicularmente por enormes fracturas, que en algunos casos llegan a tener algunos miles de kilómetros de longitud, llamadas fallas transcurrentes.

Estos fenómenos conducen a una simple conclusión: ya que no hay un incremento de la superficie de la Tierra con el transcurso del tiempo, la formación de nueva litósfera a lo largo de las dorsales y la expansión de la corteza oceánica, deben ser compensadas por una reducción (o absorción) de la litósfera de igual magnitud en otras partes del planeta. Esto es lo que realmente ocurre en las zonas de subducción, la mayoría de las cuales son acompañadas por inmensas fosas oceánicas, como aquellas que se extienden a lo largo de la margen occidental del Océano Pacífico y de la costa occidental de América del Sur. En las zonas de subducción, la litósfera se pliega hacia abajo y se sumerge bajo la litósfera adyacente, hasta zonas profundas muy calientes, donde es absobida por el manto y el ciclo se reinicia nuevamente. Parte del material litosférico vuelve al estado fundido y puede ascender hacia la superficie a través de fracturas en la corteza. Como consecuencia se forman arcos magmáticos con numerosos volcanes paralelos a las fosas. En las fosas localizadas en el océano, como en el Pacífico occidental, estos arcos magmáticos corresponden a cadenas de islas volcánicas; en las fosas ubicadas a lo largo de las márgenes continentales, los arcos magmáticos consisten en cadenas de montañas con numerosos volcanes, como en los Andes. Ver (Fig.5)

Fig.5

Diccionario de la imagen: zolla= placa; zona di subduzione= zona de subducción; dorsale medio-oceánica=dorsal meso-oceánica=dorsal oceánica; zolla continentale=placa continental; fossa=fosa oceánica.

Las dorsales oceánicas, las fallas transcurrentes y las zonas de subducción, constituyen un enorme reticulado que divide la litósfera de la Tierra en placas tectónicas o placas litosféricas, seis grandes y muchas otras más pequeñas (Figura 6). A causa de las grandes tensiones producidas por los fenómenos descritos anteriormente, las placas se mueven, lentamente rozando una contra otra, chocando y cambiando continuamente su posición mutua. Los bordes de las placas se corresponden con zonas de fragilidad y fuerte fractura de la corteza, caracterizadas por su alta sismicidad, por la presencia de numerosos volcanes y debido a la subida de materiales fundidos muy calientes a la superficie, de un elevado flujo de calor terrestre. Como se observa en la Figura 6, las áreas geotérmicas más importantes se encuentran cerca de los bordes de las placas tectónicas.

Fig. 6 – Placas litosféricas, dorsales oceánicas, fosas oceánicas, zonas de subducción y áreas geotérmicas. Las flechas indican el sentido del movimiento de las placas hacia las zonas de subducción. 1.- Áreas geotérmicas que producen energía eléctrica; 2.- Dorsales oceánicas cruzadas por fallas transcurrentes; 3.- Zonas de subducción, donde las placas subducidas se doblan hacia abajo y se funden en la astenósfera. Hacer click sobre la imagen para agrandar.

La litósfera, como vimos, está formada por enormes placas de roca rígida, conocidas como placas tectónicas o litosféricas. Estas placas, que flotan sobre la astenósfera y están representadas en diferentes colores en la Fig. 7, son las siguientes: 1. Placa Africana, 2. Placa Antártica, 3. Placa Arábiga, 4. Placa Australiana, 5. Placa de Cocos, 6. Placa del Caribe, 7. Placa Escocesa, 8. Placa Euroasiática, 9. Placa Filipina, 10. Placa India, 11. Placa Australiana, 12. Placa de Juan de Fuca, 13. Placa de Nazca, 14. Placa del Pacífico, 15. Placa Norteamericana, 16. Placa Sudamericana.