Un blog de ciencia para entender el funcionamiento del planeta y su relación con la historia de la humanidad
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Climáticamente tiene una importancia enorme ya que el calor puede quedar guardado en el océano profundo o ser liberado cuando sube a superficie. Pero de eso hablaremos la semana que viene. Hoy contaremos qué es eso de la circulación termohalina, y para terminar con el tema de las cronologías, veremos su efecto en las dataciones con radiocarbono.
Existen algunas zonas donde se mezclan estas capas, las zonas donde el agua se hunde y las zonas donde el agua surge hacia superficie ¿y qué puede hacer que un agua que está en superficie se hunda?, el frío polar. Así, las aguas que provienen del Golfo de México, cálidas y relativamente saladas, y se dirigen hacia el polo norte, por la corriente del golfo, cuando llegan a la altura de Islandia y Groenlandia se enfrían. Como tienen una cantidad de sales mayor que las aguas de lluvia de Norteamérica y norte de Europa, se hunden hasta el fondo. Este proceso de hundimiento puede ser mayor o menor según la formación de hielo marino y su extensión, ya que al formar los cristales de hielo se expulsa la sal, la cual queda en el agua líquida, formando una masa de agua de muy alta salinidad que se hundirá todavía más rápido. Algo parecido ocurre en algunos puntos de la Antártida, donde ya vimos en este video de la BBC el caso extremo en el que un hundimiento de aguas salinas y muy frías iba dejando una columna helada. Estas zonas de hundimiento se consideran los motores de la circulación termohalina y donde comienza un viaje que se calcula puede durar hasta mil años. Evidentemente, si en un sitio está entrando agua, en otro tiene que salir. Las aguas que se hundieron en el Atlántico norte viajan por el fondo, se juntan con las de la Antártida que son incluso más densas, y ambas masas de agua se ponen a dar vueltas alrededor de la Antártida hasta que en un momento se desvían hacia el Pacífico y el Índico en dirección al ecuador. En este viaje hacia el ecuador se van calentando y van subiendo hacia la superficie ayudadas por la orografía, ya que en el camino se van topando con montañas submarinas, islas, etc que les ayuda a surgir. Una vez en superficie, finalmente, las corrientes superficiales cerrarán el ciclo llevándolas hasta al Atlántico Norte. Si nos ponemos a pensar en el C14 radiactivo que hay en la atmósfera y entra en el agua podemos deducir que cuanto mayor tiempo haya estado en el fondo una parcela de agua, menor contenido de C14 va a tener, ya que se interrumpe la llegada de C14 nuevo y el que ya estaba va decayendo radiactivamente. Así, a priori podemos calcular la edad del agua, entendiendo que ese agua “nace” cuando se aleja de la atmósfera. La diferencia de edad radiocarbono entre la medida en cada lugar y la atmosférica es lo que se llama “edad de reservorio” y se utiliza para hacer las pertinentes correcciones en dataciones de fósiles de sedimentos marinos. Generalmente las mediciones se hacen en conchas, ya que la señal de C14 que incorpora un organismo al construir la concha es la misma que tiene el agua, y a ser posible de organismos que viviesen antes de las primeras bombas atómicas o incluso antes de la quema de combustibles fósiles, para que que no interfiera en la proporción de C14. Es decir, fundamentalmente de colecciones antiguas y museos. Uno podría pensar que la edad de las aguas superficiales va a ser cero, ya que hay un equilibrio químico con la atmósfera, pero lo cierto es que hay muchas interferencias en la señal de C14. Los propios procesos físicos relacionados con el viento que hacen surgir aguas subsuperficiales de otras masas de agua, mezclando señales de C14 . También el fitoplancton (microalgas marinas) fija C14 que lo incorpora al ecosistema y este ecosistema no es estático y muchos organismos migran verticalmente, mezclando señales de C14 de capas de agua diferentes. O incluso el vulcanismo submarino incorpora grandes cantidades de carbono sin ningún tipo de radiactividad, alterando la proporción C12/C14.
Como pueden imaginar esto tiene muchas imprecisiones y es el talón de Aquiles de las reconstrucciones con sedimentos marinos que suelen manejar fechas con amplios márgenes de error (por ejemplo, en mis estudios de la corriente de California + 50 años). A parte de las razones ya mencionadas, la circulación termohalina puede ser más rápida o lenta según la velocidad de hundimiento, por el clima, la cantidad de hielo, etc, por lo que las edades reservorio habrán cambiado a lo largo de los siglos y milenios. Así que tenemos dos incógnitas, la edad del fósil y la edad reservorio, pero una sola variable, una medición de C14 A veces hay suerte y puede calcularse las variaciones de esa edad reservorio en escalas miles de años gracias a las sintonizaciones orbitales de las que ya he hablado antes. Por ejemplo, tomamos un núcleo de sedimento de una región, medimos una variable que sabemos varía con las variaciones orbitales, como el isótopo de oxígeno, y también medimos el C14 de conchas de foraminíferos que quedaron atrapados en el sedimento. Primero sintonizamos el isótopo de oxígeno con la variación orbital para darle una edad y así nos queda la medición de C14 para calcular la edad reservorio. Este es más menos el ejercicio que realizaron en aguas de Perú y que pueden ver en la imagen inferior, de arriba a abajo; registros del hielo de Groenladia en amarillo y verde; después dos regstros de temperatura e isotopo de oxígeno que en la gran escala es similar al planetario y por lo tanto se sintoniza con el registro de Groenlandia. Abajo del todo, las dos posibles variaciones de edades de reservorio según la sintonización utilizada. Click en la foto para ver Fuente y colaboradores, 2015
Referencias y enlaces de interés: Sobre circulación termohalina hablaré más la semana que viene. Hay muchas páginas con explicaciones de esta circulación, por ejemplo en wikipedia Sobre edades de reservorio no hay mucho en español, creo que esta entrada es bastante completa a nivel divulgativo y no conozco otra. En la wikipedia en inglés viene un buen resumen de los reservorios de edad con el C14 La "biblia" de referencia: Radiocarbon Software para cálculos de edades radiocarbono Para explorar edades de reservorio en google Earth Aquí podéis ver en qué consiste el truco del buzo, no es más que unos buzos cabeza abajo en un lago helado
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Ahora bien, dependiendo de que tipo de objeto sea y de su edad, deberemos utilizar un tipo u otro de radioisótopo. Los materiales más recientes se datan con la famosa técnica del carbono 14, de la que ya hablamos un poco, y para entenderlo primero les contaré un poco el ciclo de ese carbono radiactivo. El isótopo radiactivo del carbono 14 (C-14) se produce en la atmósfera, cuando los rayos solares impactan en las capas superiores. Este impacto hace que se introduzca un neutrón en un átomo de nitrógeno (con 7 protones y 7 neutrones) y a la vez salga un protón, resultando en un átomo de C-14 (con 6 protones y 8 neutrones). Estos átomos de C-14 entran en el ciclo de la vida a través de la fotosíntesis de las plantas, ya que la base de cualquier organismo es el carbono. Un organismo integrará C-14 en una proporción similar a la presente en la atmósfera hasta el día que muera. Una vez muerto, o al menos sin actividad vital como una semilla, empieza a perder isótopos de carbono radiactivo sin incorporar nuevos; ese C-14 vuelve a ser un átomo de Nitrógeno y empieza una cuenta atrás que utilizamos como cronómetro y que deja de funcionar cuando ya no quedan átomos de C-14.
Sin embargo la complicación viene en donde medirlo. Por ejemplo, los fósiles de dinosaurio fueron hueso hace mucho tiempo pero al fosilizar se convierten en roca, y no presenta ningún elemento radiactivo que nos pueda informar de sus edad. Así, si encontramos un diente de Tyranosaurus rex, necesitaremos encontrar un material datable cercano a ese fósil. Y aquí viene el más difícil todavía; mientras que los fósiles se encuentran en materiales sedimentarios, la mayoría de materiales datables, son de origen volcánico, y metamórficos, rocas que ya han tenido un proceso de comprensión y calentamiento en el manto terrestre (ve tabla abajo). Es aquí donde entran las técnicas no absolutas de las que hablé anteriormente e incluso las sintonizaciones orbitales. Para tener cronologías fiables es fundamental tener unos buenos mapas geológicos donde tengamos claro cómo se relacionan las diferentes capas estratigráficas, la presencia de antiguas explosiones volcánicas, de su geomagnetismo, etc, a través de extensas regiones geográficas. Así, para datar un fósil, puedes estar utilizando un zircón encontrado a kilómetros de donde estaba el fósil. Si se fijan bien en la tabla, hay un periodo de tiempo, entre hace 50000 y 100000 años que no queda bien representado por ninguna de las dataciones. Es por eso que los dientes de los Arvicolinos se han convertido en un método de datación tan importante (llamado en la jerga el vole-clock) ya que aporta una precisión razonablemente buena a los fósiles de ese periodo de tiempo. Hay otras técnica de datación absoluta tanto a nivel atómico, luminiscencia o la resonancia del spin de los electrones, como moleculares, principalmente orgánicos como aminoácidos*, que cada día se utilizan más, y que en ocasiones cubren periodos de tiempo o materiales sedimentarios que no cubren los radioisótopos.
El ADN también puede servir y se utiliza en temas evolutivos como edades absolutas, pero no da una fecha más o menos exacta, así que yo la consideraría más bien un método de datación relativo. La semana pasada vimos las dificultades que supone asignar una edad a un registro o a unos fósiles. Por otra parte, ya vimos que las variaciones orbitales dejaron su huella en los registros, y en la civilización egipcia, debido a los cambios en la cantidad de energía solar que llega a nuestro planeta y cómo Milanković fue capaz de reconstruirlas matemáticamente para los últimos 500000 años. Entonces, ¿por qué no reconstruir esa variaciones solares durante millones de años y que nos sirva de guía para poner edad a ciertos registros que varían en paralelo a ese forzamiento solar? ¿Es posible? Sí, pero sólo durante unas decenas de millones de años y aún así hay muchas dudas. Milanković logró calcular esa insolación considerando la precesión, la oblicuidad y la excentricidad de la órbita terrestre, las principales, aunque no las únicas, variaciones del movimiento de nuestro planeta que nos dice lo lejos que está del Sol y cómo está orientado hacia él. Sin embargo, la posición de La Tierra respecto del Sol no depende exclusivamente de La Tierra y el Sol, si no de todos aquellos cuerpos celestes que pueden afectar a la relación gravitacional Tierra-Sol. Y cuanto más grandes y/o cercanos, más van a afectar a esa relación Tierra-Sol. Así que si queremos un calculo preciso de cuánta irradiación solar recibe el planeta debemos de considerar la atracción gravitatoria del resto de cuerpos celestes del sistema solar. ¿Quiere eso decir que los cálculos de Milanković eran incorrectos? Pues sí, pero como sólo calculó por 500000 años la precisión fue suficientemente cercana como para considerarla correcta. Pero si quieres ir más atrás, el error se habría ido acumulando y sus resultados habrían sido completamente erróneos. Veamos un ejemplo con una tabla de calculo para ver cómo el error se acumula. Si tomamos una calculadora y calculamos 10 / 3 nos da 3.33333333333... y tantos “3” como permita la calculadora. Si hacemos el calculo inverso y calculamos 3.3333333333 x 3 nos dará 9.9999999999, es decir, tendremos un error de 0.0000000001. Pero si no somos demasiado exigentes y consideramos que un error menor o igual a 0.1 es suficientemente preciso, podemos considerar que 3.3 x 3 = 9.9 es un resultado suficientemente próximo a 10 como para considerarlo correcto. Sin embargo, si seguimos en nuestra serie hasta 100 sumando 3.3 al valor anterior terminaremos con 99, un error mucho mayor de 0.1. Así que si queremos tener la suficiente precisión para cuando lleguemos a 100, necesitaremos considerar dos decimales, 3.33, para tener un error de 0.1. Y lo mismo para llegar a 1000, necesitaremos considerar tres decimales, 3.333. Algo similar ocurre para calcular la irradiación que recibe La Tierra del Sol.
Si todavía quieres ir más atrás en el tiempo ya debes incluir la influencia de las lunas y pequeños cuerpos celestes y es entonces, cuando queremos calcular más allá de 60 millones de años, que nos encontramos con estos dos; Vesta y Ceres Vesta y Ceres son los dos cuerpos celestes con más masa del cinturón de asteroides. Y si era un lío meterse con todos los planetas, meterse en un campo de asteroides es algo que sólo hace Han Solo para escapar de Darth Vader. Estos dos cuerpos celestes tienen un movimiento caótico por lo que no se puede calcular su trayectoria, impredecible más allá de 400000 años. De hecho, no sólo por Vesta y Ceres, sino por lo muchos asteroides que hay y sus interacciones con los planetas se considera que todo el sistema solar tiene un movimiento caótico. Así que, de la misma manera que no se puede calcular el tiempo meteorológico más allá de cuatro o cinco días debido al carácter caótico de la circulación atmosférica, no se puede calcular más allá de 60 millones de años en la irradiación solar que llega a La Tierra debido al movimiento caótico que hay en el sistema solar. Algo interesante es que, ya que los astrónomos no pueden ir más hacia atrás, los paleoclimatólogos les están devolviendo el favor. Los registros de temperatura de hace más de 60 millones de años están ayudando a los astrónomos a reconstruir los movimientos orbitales en el sistema solar. Uno podría pensar, OK hay un problema más allá de 60 millones de años, pero antes sí podemos utilizar esa relación para datar mejor nuestros registros. Por desgracia no es tan sencillo y aunque algunos grandes patrones muestran esa relación, hay ciertos problemas difíciles de reconciliar más allá de los cálculos realizados referidos al problema de la distancia Sol-Tierra. Solo los diré de pasada. Primero, estamos asumiendo que la respuesta del planeta es inmediata y lineal al forzamiento solar, cuando no necesariamente es así. De hecho hay cosas extrañas como que hace 130000 años la consecuencia fue anterior a la causa, es decir, empezó un periodo cálido antes de que empezase el forzamiento solar, lo cual es una piedra muy grande en el zapato de la teoría. Pueden fijarse en la primera figura. Además, si queremos saber la insolación a una latitud determinada sería necesario calcular cómo "mira" La Tierra al Sol en cada momento, es decir, cómo está su eje de inclinado y no sólo qué tan lejos o cerca están La Tierra y el Sol. A esto último se añade el problema de la tectónica de placas que hace a que a lo largo de millones de años cambie la proporción de agua y tierra en la superficie, o entre los hemisferios, o la latitud de una placa, etc y que por lo tanto el planeta responda de forma diferente, lo que nos lleva al primero de estos tres problemas. Para terminar una curiosidad; en las siguientes figuras pueden ver cómo Iberia estuvo en latitud sur hace 300 millones de años. Parece que lo que hoy es Baja California sólo se la puede rastrear hasta hace 100 millones de años, lo que reduce mucho su cambio latitudinal. Esta entrada está en gran medida inspirada por la conferencia que Jacques Laskar, astrónomo francés, dio en el último congreso Internacional de Paleoceanografía.
Referencias y enlaces interesantes Variaciones orbitales (wikipedia) Estabilidad sistema Solar (wikipedia) Calculos de insolación solar de Laskar con enlaces a programas en Fortran Calculo paleolatitud Laskar et al., 2011. La2010: a new orbital solution for the long-term motion of the Earth Laskar et al., 2011b. Strong chaos induced by close encounters with Ceres and Vesta Había una vez, en un lejano lugar… cuántos cuentos y leyendas empiezan así, sin que nos preocupemos por preguntar, ¿cómo que una vez?, ¿qué fecha era?, ¿qué año?, no, pues si no me das las coordenadas de GPS ya no sigas con el cuento. Sin embargo los geólogos contaban cuentos que siempre empezaban así, “había una vez”. Aunque intentaban poner fecha a sus observaciones, en realidad no tenían fechas precisas, pero no les faltaba imaginación y sabían que, como en los cuentos antiguos, la muchacha primero era capturada por una bruja malvada y más tarde el príncipe llegaba a rescatarla al final del cuento. Ya vimos como los isótopos radiactivos funcionan como un reloj en cuenta regresiva, pero no fueron utilizados hasta mediados del siglo XX. Entonces, ¿cómo sabían los geólogos la antigüedad de los fósiles?, ¿cómo contaban sus cuentos sin que empezase por el rescate de la muchacha y terminase con el rapto por la bruja? Hoy vamos a explicar un poco esas metodologías de datación sin el uso de radioisótopos que todavía se siguen usando y complementan a las dataciones de Carbono 14, Uranio o Torio. Son las técnicas de datación relativa, es decir, simplemente ordenan de más antiguo a más nuevo sin darle una fecha precisa.
Cada una de estas capas estratigráficas tienen una coincidencia en los tipos de fósiles, así que si encuentras un fósil de Tyrannosaurus rex en un terreno de California y otro en Colorado, puedes deducir que esos dos suelos tienen una edad similar, son del Cretácico. Evidentemente, los T. rex vivieron por millones de años, por lo que si quieres una datación más precisa deberás trabajar los fósiles con más detalle, observando sus pequeñas variaciones. Veamos algunos ejemplos de estos detalles. Uno de los grupos de fósiles más utilizados para la datación dentro del Pleistoceno (conocida como la edad de hielo) son un grupo de roedores muy comunes. Hay que entender que el hecho de que haya muchos fósiles de un mismo grupo esparcidos por una vasta región, facilita enormemente la correlación cronoestratigráfica entre regiones; es decir, sincronizar los relojes de los suelos de toda una región geográfica. Por eso suele interesar pequeños animales que son muy abundantes y no los más escasos depredadores tope. Pues bien estos roedores de la familia Arvicolina son bastante comunes y se ha realizado un extenso estudio de la evolución de sus dientes. Así, que si en un estrato de una cuenca sedimentaria te encuentras un diente de estos roedores, sólo tienes que ir al experto de turno para que te diga en qué momento del último millón y pico de años llegó ese diente ahí. Otros organismos como trilobites, foraminíferos o el polen de las plantas se les ha dado un uso similar en diferentes eras geológicas.
Pero además de fósiles de animales y plantas otros métodos son utilizados para sincronizar los relojes de los diferentes suelos del mundo. Un caso paradigmático es la capa de Iridio que recubrió el planeta hace unos 65 millones de años cuando un meteorito se estrelló en lo que ahora conocemos como la península de Yucatán y, según dicen algunos, extinguió a los dinosaurios. Algo parecido ocurre con el inicio de los ensayos nucleares de la bomba H, que hace que el Cesio radiactivo esté ausente antes de 1950 y sea abundante después de esa fecha. Estos son dos casos que sirven de punto de sincronización a nivel planetario, pero tampoco es algo normal. Generalmente estos puntos son más regionales, como los que producen las explosiones volcánicas.
En estas dos imágenes se observa como la expansión del fondo oceánico en el Atlántico debido a la salida de lava (izquierda) va dejando un rastro magnético que puede ponerse en un eje temporal de millones de años (derecha). Fuente wikipedia Durante este mes seguiremos hablando de cronologías y métodos de datación o temas relacionados con las dataciones. Es un tema crucial en las paleociencias ya que un pequeño error en la cronología de tu trabajo puede arrojar resultados y conclusiones completamente diferentes. Es un tema del que no soy experto y que por eso le estoy dedicando varias entradas, para seguir aprendiendo, que es el principal beneficio que saco con este blog. Espero que a vosotros también os interese, y por favor, si veis algún error hacédmelo saber.
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