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CIENCIA. ¿Se está desequilibrando el núcleo férreo de la Tierra?

 

Un corte del interior de la Tierra muestra el núcleo interno de hierro sólido (rojo) creciendo lentamente por congelación del núcleo externo de hierro líquido (naranja). Las ondas sísmicas viajan a través del núcleo interno de la Tierra más rápido entre los polos norte y sur (flechas azules) que a través del ecuador (flecha verde). Los investigadores concluyeron que esta diferencia en la velocidad de la onda sísmica con la dirección (anisotropía) resulta de una alineación preferida de los cristales en crecimiento (aleaciones de hierro y níquel empaquetadas hexagonalmente, que son anisotrópicas) paralelas al eje de rotación de la Tierra. Fuente: Daniel Fros

Por razones desconocidas, el núcleo interno de hierro sólido de la Tierra está creciendo más rápido en un lado que en el otro, y así ha sido desde que comenzó a congelarse a partir del hierro fundido hace más de 500 millones de años, según un nuevo estudio realizado por sismólogos en la Universidad de California, Berkeley.

El crecimiento más rápido bajo Banda Sea, en Indonesia, no ha dejado al núcleo desequilibrado. La gravedad distribuye uniformemente el nuevo crecimiento (cristales de hierro que se forman cuando el  enfría) para mantener un  esférico que crece en un radio de un milímetro por año en promedio.

Pero el mayor crecimiento en un lado sugiere que algo en el núcleo o manto externo de la Tierra debajo de Indonesia está eliminando el calor del núcleo interno a un ritmo más rápido que en el lado opuesto, debajo de Brasil. Un enfriamiento más rápido en un lado aceleraría la cristalización del hierro y el crecimiento del núcleo interno en ese lado.

Esto tiene implicaciones para el campo magnético de la Tierra y su historia, porque la convección en el núcleo externo impulsada por la liberación de calor del núcleo interno es lo que hoy impulsa la dínamo que genera el campo magnético que nos protege de las partículas peligrosas del sol.

"Proporcionamos límites bastante imprecisos sobre la edad del núcleo interno, entre 500 y 1500 millones de años, que pueden ser de ayuda en el debate sobre cómo se generó el campo magnético antes de la existencia del núcleo interno sólido", dijo. Barbara Romanowicz, profesora de la Escuela de Graduados de la Universidad de Berkeley en el Departamento de Ciencias de la Tierra y Planetarias y directora emérita del Laboratorio Sismológico de Berkeley (BSL). "Sabemos que el campo magnético ya existía hace 3 mil millones de años, por lo que otros procesos deben haber impulsado la convección en el núcleo externo en ese momento".

La edad más joven del núcleo interno puede significar que, al principio de la historia de la Tierra, el calor que hirvió el núcleo del fluido provino de elementos ligeros que se separaron del hierro, no de la cristalización del hierro, que vemos hoy.

El debate sobre la edad del núcleo interno ha estado ocurriendo durante mucho tiempo. La complicación es: si el núcleo interno ha podido existir solo durante 1.500 millones de años, según lo que sabemos sobre cómo pierde calor y qué tan caliente está, entonces, ¿de dónde vino el campo magnético más antiguo? De ahí vino la idea de elementos de luz disueltos que luego se congelan.

Formación de hierro cristalino sólido

El crecimiento asimétrico del núcleo interno explica un misterio de tres décadas: que el hierro cristalizado en el núcleo parece estar preferentemente alineado a lo largo del eje de rotación de la Tierra, más en el oeste que en el este, mientras que uno esperaría que el cristales se orientaran aleatoriamente.

La evidencia de esta alineación proviene de las mediciones del tiempo de viaje de las ondas sísmicas de los terremotos a través del núcleo interno. Las ondas sísmicas viajan más rápido en la dirección del eje de rotación norte-sur que a lo largo del ecuador, una asimetría que los geólogos atribuyen a los cristales de hierro, que son asimétricos, que tienen sus ejes largos preferentemente alineados a lo largo del eje de la Tierra.

Si el núcleo es de hierro cristalino sólido, ¿cómo se orientan los cristales de hierro preferentemente en una dirección?

Un nuevo modelo de sismólogos de UC Berkeley propone que el núcleo interno de la Tierra crece más rápido en su lado este (izquierda) que en el oeste. La gravedad iguala el crecimiento asimétrico al empujar los cristales de hierro hacia los polos norte y sur (flechas). Esto tiende a alinear el eje largo de los cristales de hierro a lo largo del eje de rotación del planeta (línea discontinua), lo que explica los diferentes tiempos de viaje de las ondas sísmicas a través del núcleo interno. Fuente: Marine Lasbleis

En un intento de explicar las observaciones, Frost y sus colegas Marine Lasbleis de la Universidad de Nantes en Francia y Brian Chandler y Romanowicz de UC Berkeley, crearon un modelo informático de crecimiento de cristales en el núcleo interno que incorpora modelos de crecimiento geodinámico y la física mineral del hierro a alta presión y alta temperatura.

El modelo describe cómo el crecimiento asimétrico, aproximadamente un 60% más alto en el este que en el oeste, puede orientar preferentemente los cristales de hierro a lo largo del eje de rotación, con más alineación en el oeste que en el este, y explicar la diferencia en la velocidad de la onda sísmica en el núcleo interno.

"Lo que estamos proponiendo en este documento es un modelo de convección sólida asimétrica en el núcleo interno que reconcilia las observaciones sísmicas y las condiciones de frontera geodinámicas plausibles", dijo Romanowicz.

Frost, Romanowicz y sus colegas informarán sobre sus hallazgos en la edición de esta semana de la revista Nature Geoscience .

Sondeando el interior de la Tierra con ondas sísmicas

El interior de la Tierra tiene capas como una cebolla. El núcleo interno sólido de hierro y níquel, hoy de 1.200 kilómetros (745 millas) de radio, o aproximadamente tres cuartas partes del tamaño de la luna, está rodeado por un núcleo externo fluido de hierro fundido y níquel de aproximadamente 2.400 kilómetros (1.500 millas) de espesor. El núcleo exterior está rodeado por un manto de roca caliente de 2.900 kilómetros (1.800 millas) de espesor y cubierto por una fina y fría corteza rocosa en la superficie.

La convección ocurre tanto en el núcleo externo, que hierve lentamente a medida que el calor del hierro cristalizado sale del núcleo interno, y en el manto, cuando la roca más caliente se mueve hacia arriba para llevar este calor desde el centro del planeta a la superficie. El vigoroso movimiento de ebullición en el núcleo exterior de hierro líquido produce el campo magnético de la Tierra.

Según el modelo informático de Frost, que creó con la ayuda de Lasbleis, a medida que crecen los cristales de hierro, la gravedad redistribuye el exceso de crecimiento en el este hacia el oeste dentro del núcleo interno. Ese movimiento de cristales dentro del sólido más bien blando del núcleo interno, que está cerca del punto de fusión del hierro a estas altas presiones, alinea la red cristalina a lo largo del eje de rotación de la Tierra en mayor grado en el oeste que en el este.

El modelo predice correctamente las nuevas observaciones de los investigadores sobre los tiempos de viaje de las ondas sísmicas a través del núcleo interno: la anisotropía, o la diferencia en los tiempos de viaje paralelos y perpendiculares al eje de rotación, aumenta con la profundidad, y la anisotropía más fuerte se desplaza hacia el oeste desde el eje de rotación de la Tierra en unos 400 kilómetros (250 millas).

El modelo de crecimiento del núcleo interno también establece límites en la proporción de níquel al  en el centro de la tierra. El modelo no reproduce con precisión las observaciones sísmicas a menos que el níquel constituya entre el 4% y el 8% del núcleo interno, lo que se acerca a la proporción de los meteoritos metálicos que presumiblemente alguna vez fueron los núcleos de los planetas enanos de nuestro sistema solar. El modelo también les dice a los geólogos qué tan viscoso o fluido es el núcleo interno.

Los científicos sugieren que la viscosidad del núcleo interno es relativamente grande, un parámetro de entrada de importancia para los geodinámicos que estudian los procesos de dinamo en el  externo.

Más información: Daniel A. Frost et al, Dynamic history of the inner core constrained by seismic anisotropy, Nature Geoscience (2021). DOI: 10.1038/s41561-021-00761-w


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