Los procesos físicos en la tierra son el resultado del flujo de energía a través del sistema terrestre.

La energía impulsa el sistema terrestre

Cuando los/las estudiantes aprenden los procesos de la Tierra, generalmente se enfocan en el proceso en sí mismo, como, por ejemplo, en las placas tectónicas, las mareas o el flujo de corrientes. Estas ideas ilustran cómo todos los procesos de la Tierra son impulsados por la energía. La transferencia de energía se puede considerar como la fuerza impulsora del sistema terrestre.

La mayor parte de la energía en el sistema de la Tierra proviene de unas pocas fuentes: la energía solar, la gravedad, la desintegración radioactiva y la rotación de la Tierra. La energía solar impulsa muchos procesos superficiales, como los vientos, las corrientes, el ciclo hidrológico y el sistema climático en general. La gravedad hace que los ríos y otros materiales fluyan cuesta abajo y crea mareas (por la fuerza gravitacional de la Luna). La descomposición radioactiva crea calor en el interior de la Tierra, mientras que las fuerzas de rotación de la Tierra influyen en las corrientes de aire y agua.

Estas ideas tienen una superposición considerable con los Principios del Conocimiento Climático 1 y 2. El Principio del Conocimientos Climático 1 se enfoca en el sol como la principal fuente de energía para el sistema climático de la Tierra, mientras que el Principio 2 del Conocimiento Climático explica que los gases de efecto invernadero afectan al balance energético de la Tierra. El dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero atrapan la radiación saliente que, de lo contrario, saldría del sistema terrestre, lo que calienta la atmósfera. También resume el ciclo del carbono a través de diferentes fuentes y reservas de carbono.

Los flujos de energía pueden cambiar con el tiempo

Los flujos de energía en la Tierra pueden tomar muchas formas. En algunos casos, los flujos de energía son constantes, como la descomposición de los materiales radiactivos que ocurre naturalmente dentro de la Tierra. Este proceso libera calor al interior de la Tierra, lo que ayuda a impulsar el movimiento de las placas tectónicas a una velocidad bastante constante.

En otros casos, los flujos de energía pueden variar con el tiempo, como en el ciclo del carbono. La energía impulsa el flujo de carbono entre las diferentes reservas. El carbono puede existir en rocas carbonatadas (como la piedra caliza), combustibles fósiles almacenados (como carbón, petróleo o gas natural), en la atmósfera, en los océanos o en las moléculas de organismos biológicos. La quema a gran escala de combustibles fósiles elimina el carbono orgánico almacenado en la corteza terrestre y libera dióxido de carbono a la atmósfera. Esto ha cambiado la composición de la atmósfera que ahora atrapa el calor saliente de manera más efectiva. Los seres humanos, por lo tanto, han cambiado el balance de energía natural de la Tierra.

Incluso sin los seres humanos, la Tierra ha experimentado cambios en su balance energético. A lo largo del tiempo geológico ha habido cambios drásticos en el flujo de energía a través de la Tierra. Por ejemplo, la Tierra se fundió completamente al principio de su historia geológica y estuvo cubierta por hielo durante el período precámbrico. El sol fue una vez un 30% más oscuro de lo que es hoy.

Estos cambios dramáticos ilustran cómo los cambios en los flujos de energía a través del sistema de la Tierra han alterado el curso de la historia de la Tierra. Los/las estudiantes pueden apreciar cómo el equilibrio energético del planeta se ha visto afectado por influencias naturales y humanas.

Ayudando a los/las estudiantes a comprender estas ideas

Estos conceptos son sutiles. Es mucho más fácil captar un proceso físico familiar y observable que comprender la energía que lo impulsa. Comience con procesos donde la energía sea fácilmente observable, como erupciones volcánicas o tormentas de viento. Desde allí, los/las estudiantes pueden apreciar cómo la energía es parte de casi todos los procesos en la Tierra. Haga que los/las estudiantes utilicen el mapeo de conceptos para conectar un proceso a los tipos de energía que están involucrados. Consulte el Principio de energía 1 para obtener una lista de las diferentes formas de energía.

Alternativamente, los/as docentes pueden emplear un enfoque de sistemas. Usando la hidrosfera como un ejemplo, los/las estudiantes pueden examinar cómo se incorpora la energía a lo largo del ciclo. La energía solar provoca la evaporación; el calentamiento desigual de la Tierra hace que las masas de aire se muevan; las fuerzas de Coriolis ayudan a que las tormentas tomen forma; y la gravedad hace que los ríos fluyan cuesta abajo. Otro factor relevante es la alta capacidad calorífica (o calor específico) del agua. Esto significa que se necesita mucha energía para cambiar la temperatura del agua. Este efecto moderador permite que los ambientes acuáticos se mantengan a una temperatura relativamente estable en comparación con el aire. También explica por qué las áreas cercanas a grandes cuerpos de agua tienen temperaturas moderadas con menos extremos que las ubicaciones alejadas del agua.

Si está enseñando sobre el cambio climático, considere cómo un ambiente cálido afecta otros procesos como las tormentas, las olas de calor además de otros tipos de eventos del clima extremos. Debido a la alta capacidad térmica del agua, los océanos pueden absorber la mayor parte del calentamiento causado por el cambio climático. ¿Qué otros efectos acarrea esto?

Otra forma de vincular estas ideas con el estudio del cambio climático es observar el albedo. Este concepto explora la forma en que la energía del sol puede ser absorbida por la superficie de la Tierra o puede rebotar en ella y reflejarse en el espacio. La nieve y el hielo reflejan la mayoría de la radiación entrante. Las superficies más oscuras como el océano abierto y la tierra desolada absorben más energía. A medida que los glaciares retroceden y el hielo marino se derrite, la pérdida del área cubierta de hielo contribuye a un mayor calentamiento. Este es un ejemplo de un ciclo de retroefecto auto-reforzado.

Trayendo estas ideas a su clase

Este principio puede integrarse en las lecciones sobre los procesos de la Tierra para que los/las estudiantes se familiaricen con la idea de que la energía es una parte integral de casi todos los procesos en la Tierra. Enseñar el flujo de energía en los sistemas es una forma de fomentar el pensamiento de los sistemas en los estudiantes.

Debido a que estas ideas pueden ser abstractas, pedagogías creativas e interactivas son muy útiles. Las visualizaciones y simulaciones pueden revelar procesos ocultos. El mapeo conceptual puede ayudar a los/las estudiantes a encontrar conexiones entre causa y efecto. Los/las estudiantes pueden incluso adoptar una estrategia de juego de rol para convertirse en un átomo de carbono o una tormenta tropical. Una vez que los/las estudiantes se familiaricen con la idea de que la energía es inherente a los procesos de la Tierra, estos principios pueden entretejerse con muchos otros temas de las ciencias de la Tierra.

Material educativo de la colección CLEAN

Escuela intermedia

• Increíble Albedo es un laboratorio en que los/las estudiantes usan termómetros, papel blanco, papel oscuro y lámparas para medir las diferencias en el albedo. Se hacen conexiones al albedo en con la Antártida.
• Energía Geotérmica: Aprovechando el Poder de la Tierra: este breve vídeo explica cómo se aprovecha la energía geotérmica, se convierte en vapor, se transporta a generadores y se convierte en electricidad.

Escuela secundaria

• La visualización La Tierra es un Sistema, ayuda a explicar por qué la comprensión de la Tierra como un sistema integrado de componentes y procesos es esencial para la educación científica. El vídeo Llegando a un Equilibrio Solar usa animaciones coloridas para ilustrar el balance energético de la Tierra.
• ¿Qué Hace que un Gas de Efecto Invernadero sea un Gas de Efecto Invernadero? y ¿Por qué Algunas Moléculas Absorben Energía? ofrece dos formas interactivas (simulación por computadora y construcción de modelos prácticos) para que los/las estudiantes aprendan cómo los gases pueden atrapar el calor.
• La animación de la Circulación del Viento y el Océano ilustra el camino de la energía que fluye desde las corrientes de viento atmosféricas hasta las corrientes oceánicas. La alta calidad de la animación es atractiva y es muy útil a la hora de explicar procesos complejos que son difíciles de imaginar.
• En la actividad Huracanes como Motores de Calor, los/las estudiantes examinan los efectos de los huracanes en la temperatura de la superficie del mar para explorar cómo los huracanes extraen la energía térmica de la superficie del océano.

Universidad

• ¿Por qué el Cambio Climático hace que las Tormentas Sean más Fuertes? Este vídeo analiza cómo el aumento de las temperaturas en el Ártico está afectando la trayectoria de la corriente del chorro, la gravedad de tormentas y la duración de los eventos meteorológicos individuales.
• La actividad de Modelo de Equilibrio de la Energía de la Tierra utiliza el software de modelado de cajas STELLA para determinar la temperatura de la Tierra según la radiación entrante y saliente, el albedo y una atmósfera compleja con flujos de calor latente y sensible.
• La animación de Gases de Invernadero - IR Spectra permite a los/las estudiantes explorar los espectros infrarrojos de los gases de efecto invernadero y representar los espectros de absorción. Los modos vibracionales y el espectro de energía de la Tierra también pueden superponerse.